引水电站侧向进水口体型设计的数值模拟研究

杨帆, 刁明军, 薛宏程

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 四川 成都 610065)

引水电站侧向进水口体型设计的数值模拟研究

杨帆, 刁明军, 薛宏程

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 四川 成都 610065)

引水电站侧向进水口因河流主流方向与引水管水流方向垂直, 易出现贯通式吸气漩涡. 为研究进水口合理体型, 采用RNG k-ε 方程紊流模型对四种不同体型电站进水口水流运动进行数值模拟. 分析进水口内水流运动螺旋流线、漩涡强度、引水管进口流场分布情况, 比较四种体型(大喇叭口型, 钟型, 碗型, 不对称型)进水口的差异. 得出碗状进水口内水流流态更好, 不易出现贯通性漩涡, 水力损失较小, 体型设计具有相对优势, 对于侧向进水口体型设计有参考意义.

侧向进水口; 数值模拟; 螺旋流线; 漩涡强度; 碗状进水口

1 引言

引水工程水电站进水口体型设计主要考虑流态平稳顺畅, 并且水头损失小. 电站正常运行时, 避免出现贯通式漏斗漩涡. 贯通式漏斗漩涡的出现会导致过流能力降低, 机组效率降低, 水流脉动加剧, 结构振动, 卷吸漂浮物等危害.[1]有压式进水口底板高程设计, 应保证在上游最低运行水位时进水口仍有足够的淹没深度, 保证口门流态平稳.[2]

因地址条件或输沙要求等限制, 工程中常有侧向布置的取水枢纽, 库区主流方向与电站引用水流方向垂直,水流在进水口处出现较大偏转, 形成环流, 容易导致水流不平稳均匀, 出现漩涡, 严重的产生危害较大的贯通性吸气漩涡. 侧向进水口的体型设计, 关系到水头损失的大小, 水流能否平顺的进入电站, 电站的正常运行.

从现有研究知道, 进水口前漩涡受边界条件和初始环量影响[3]. 取水角度的大小对进水口近区水域的水流结构影响非常显著.[4]邓淑媛通过工程经验分析了贯通性漏斗漩涡的形成过程. 来流受到进水口边界约束, 产生收缩导致水流流向及能量发生较大变化, 进水口前水位雍高产生一个水流滞留区. 这部分水体易出现表面环流产生漏斗形贯通漩涡. 水力模型试验研究因难以同时满足Fr 相似、Re 相似、We 相似, 具有一定的缩尺效应.[5]叶茂等采用RNG k-ε紊流模型对有无防涡墩两种情况进行模拟,再现了漏斗状吸气旋涡,计算结果与测量数据吻合良好,验证了旋涡模拟的可行性.[6]高学平通过数值模拟分析了体型对于进水口孔口附近流态和水头损失的影响.[7]吴洁康等利用数值模拟, 分析侧向进水口漩涡水面线以及三维流速分布, 并根据其运动轨迹将漩涡运动分为三部分.[8]V. S. Neary关于侧向进水口三维流动复杂模型, 提供了实验室研究所达不到的细节资料.[9]针对漩涡的数模与试验和实际情况吻合良好, 说明了数值模拟的可靠性.

2 研究方法

2.1 数学模型

采用RNG k-ε 方程模型, 控制方程如下:

2.2 计算模型及区域网格划分

根据水电站进水口设计规范, 一般要求引水工程进水口喇叭口体型宜为流线形或钟形, 体型曲线宜选用椭圆曲线或圆曲线. 本文计算模型参照某首部枢纽引水电站, 建模时考虑并简化上游库区, 电站进水口, 引水管,下游河道, 对于重点研究区域电站进水口, 进行网格加密处理(见图1). 计算区域均为六面体结构化网格, 同时调整网格走向与水流方向大致相同, 保证数值计算的准确性. 模型上游库区正常蓄水位988m, 下泄流量为3330m³/s, 电站引用流量为100m³/s, 进水口底高程为970m, 引水管道直径为7m. 闸墩为半径1m的圆形墩头,长5.32m, 宽2m(见图2). 进水口与引水管道之间由高程从982m降到977m的椭圆弧压坡连接.

本文针对四种不同体型的侧向进水口进行模拟, 比较其水力特性的差异. Ⅰ型为大喇叭口型进水口, Ⅱ型为钟形进水口, Ⅲ型为碗型进水口, Ⅳ型为不对称型进水口. 四种体型的主要差异在进水口弧线, 在高程及最终引水管道连接处均一致(见图3). 库区进口面分为上部空气进口和下部水进口, 空气进口为压力进口, 保证上游正常蓄水位及下泄流量, 设定水进口为速度进口. 电站引水管道保证引用流量稳定在100m³/s.

图1 数值模拟区域Fig.1 the Numerical Simulation Region

图2 电站进水口网格划分Fig.2 the Mesh Generation in the Intake

图3 四种体型电站进水口Fig.3 Four Types of Intakes

3 模拟结果分析

3.1 三维流线分析

图4 进水口多圈螺旋流线Fig.4 the Flow Motion Stream Lines in the Intakes

四种体型在相同边界及初始条件下, 进水口内主要螺旋流线如图4, 图中白线为水气交界面. Ⅰ型无扩散段,水流在进水口受右边界约束, 向中心挤压, 强制转向, 出现从水面上方垂直贯通直到进水口底板的流线, 极易形成贯通式吸气漩涡; Ⅱ型左侧进水口扩散段弧线向内收缩, 扰乱水流旋转走向, 螺旋流线混乱, 水流紊动强烈,进入引水管内的流线起伏波动较大, 水流不平稳, 出现水流冲击管壁现象; Ⅲ型右侧流线螺旋涡心位置及半径变化幅度不大, 并未延伸到水面不易形成贯通漩涡, 左侧下部流态紊乱; Ⅳ型进水口右侧出现与Ⅰ型相似的贯通垂直流线, 进水口左侧引导弧线较长, 类似Ⅰ型, 螺旋线半径随高度降低而减小, 最后平顺进入引水管. 比较四种体型, 右侧Ⅲ型效果较好, 左侧Ⅳ型相对较好.

3.2 流线及漩涡强度分析

图5 Z=975m截面流线及漩涡强度分布图Fig.5 the Distribution Diagrams of the Vorticity Magnitude in the Z=975m Section

取出Z=975m处的截面, 此处为引水管中上部位置, 做出相应流线及漩涡强度分布图(图5). 水流从上游进入垂直方向的引水管, 进水口右侧水流形成顺时针绕流, 四种体型水流均出现逆时针旋转, 漩涡中心强度Ⅰ型和Ⅱ型最大, 达到1s-1; 左侧水流进入进水口, 在无足够空间时, 水流以较大流速进入引水管, 同时挤压右侧水流, 如Ⅰ型, 在左侧空间较大时, 水流形成逆时针旋转, Ⅱ型漩涡中心强度最大, 达到1.1s-1,原因为进水口经扩散段后迅速收缩, 水流集中约束在扩散段内, 紊动强烈. Ⅲ型和Ⅳ型在左右两侧均留出部分空间使水流调整流向,Ⅳ型进水口弧线变化更贴近水流流线, 漩涡半经小. 可知进水口边墙弧线设计需考虑引导水流, 并提供水流调整空间.

3.3 流场分析

进水口内水流经流态调整, 进入与河道主流垂直的引水道. 为保证电站的正常运行, 要求经调整的水流, 水头损失小, 同时进入引水道的流态平稳. 本文取出水流经调整后进入引水道的初始断面(X=14m)分析, 比较四种体型水流流速, 流场分布情况. 流场分布见图6.

图6 X=14m断面四种体型进水口流场图Fig.6 the Diagrams of Flow Field in the X=14m Section at the Intakes

四种体型流速大小均在1.2-1.8m/s的范围内, Ⅰ型和Ⅲ型流速最大值均集中在断面中心位置, 向四周均匀减小, 从流向分析, Ⅰ型有逆时针旋转的趋势, Ⅲ型有顺时针旋转的趋势. Ⅱ型和Ⅳ型流速最大值集中在断面右侧中下部, 左侧下部水流流速比右侧平均小0.4m/s,说明水流在进水口并未调整均衡, 进入引水道的水流将从右侧冲撞左侧管壁, 进一步调整, 并带来水头损失. 分析原因为Ⅱ型进水口在靠近引水道位置, 向中部收缩, 水流调整的空间不够, 左右侧水流不平衡; Ⅳ型从闸墩两侧进入进水口的流量因左侧进水宽度大, 左侧水流流量大, 进入进水口后挤压右侧水流空间, 导致在X=14m断面处右侧水流流速大. 进水口左右侧水流流量, 流速, 流向的差异均可能导致引水管内部流态的紊乱, 以及较大的水头损失, 左右对称设计能较好的保证引水管内流态的平稳均匀.

4 结论与讨论

考虑数值模拟计算花费少、方案改变快、信息完整、模拟能力强、不存在比尺效应的特点, 本文对四种体型进水口进行模拟, 分析主要旋转螺旋流线、流线与涡量、流场, 比较四种体型的水力特性.

Ⅰ型大喇叭口体型在进水口右侧挤压水流, 易出现贯通吸气漩涡; Ⅱ型钟形进水口收缩弧线较陡, 进水口内水流调整空间小, 涡强较大, 引水管进口断面流场分布不均匀, 引水管内流线起伏波动大, 水流不能顺畅平稳进入引水管; Ⅲ型碗状进水口水流扩散调整空间大, 引水管内流态较好, 左侧进水口弧线需进一步优化; Ⅳ型不对称进水口因两侧进水宽度不一致, 两侧流量差异, 两股水流相互作用, 导致引水管进口断面流场分布不均匀.

通过四种不同体型进水口的比较, 得出碗状进水口在以上水力特性上具有优势, 同时结合不对称进水口的优势考虑, 可在进水口上游加上斜导墙, 引导水流以一定夹角方向进入进水口, 改善左侧水流流态.

[1] 陈云良. 进水口前立轴漩涡的水利特性的研究[D]. 成都: 四川大学, 2006.

[2] 党媛媛,韩昌海.进水口漩涡问题研究综述[J]. 水利水电科技进展, 2009,29(1):90-94.

[3] NEVZAT YILDIRIM, FIKRET KOCABAS, SALIH CEM GULCAN. Flow-boundary effects on critical submergence of intake pipe[J]. Journal Of Hydraulic Engineering, 2000(126): 288-297.

[4] 杨帆. 明渠岸边侧向取水的“取水角效应”研究[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2008,6(1):44-53.

[5] 邓淑媛. 边界条件对进口水而漩涡的的影响及其克服方法的探讨[C]. 中小型工程水力学学术讨论会论文集下册第70号论文, 1985.

[6] 叶茂, 伍超, 杨朝辉, 等.进水口前立轴旋涡的数值模拟及消涡措施分析[J].四川大学学报: 工程科学版, 2007,39(2):36-39.

[7] 高学平, 叶飞, 宋慧芳.侧式进出水口水流运动三维数值模拟[J]. 天津大学学报, 2006,39(5):518-522.

[8] 吴杰康, 夏明月. 侧向进水口立轴旋涡数值模拟[J]. 人民黄河, 2012, 34(1): 139-141.

[9] V S NEARY, F SOTIROPOULOS, A J ODGAARD. Three-dimensional numerical model of Lateral-intake inflows [J]. Journal Of Hydraulic Engineering, 1999(125): 126-140.

Numerical simulation study of the shape design at horizontal intakes

YANG Fan, DIAO Ming-jun, XUE Hong-cheng
( State Key Lab of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, P.R.C.)

The storied relation between the river flow direction and the water direction in the aqueduct, brings about through type inspiration vortex easily in the cited hydropower lateral intake. In order to study the reasonable shape of water intakes, the flow in four types of intakes (the big horn mouth shape, the bell shape, the bowl shape, the asymmetric shape) was simulated numerically using the RNGturbulent model. A few hydraulic characteristics were investigated and compared, which were the flow motion stream line, the vorticity magnitude and the distribution of flow field at the entrance of aqueduct. The results show that the bowl-shaped intake has advantage in the flow condition and the head loss, and is not easy to bring about through type vortex. The research is in prospect of reference for the similarity intake design.

horizontal intake; numerical simulation; spiral flow line; vorticity magnitude; bowl-shaped intake

TV67

: A

1003-4271(2014)03-0410-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.16

2014-03-05

杨帆(1990-), 女, 四川德阳人, 硕士研究生, 研究方向: 水工水力学. Email: 695634834@qq.com

刁明军(1968-), 男, 四川简阳人, 教授, 博士, 博士生导师, 研究方向: 水工水力学. Email: diaomingjun@scu.edu.com.