CFD在调压室设计计算中的可行性研究

卿 彪，余 波，陈凌平，张 卿，刘 育

(西华大学 能源与环境学院，成都 610039)

CFD在调压室设计计算中的可行性研究

卿 彪，余 波*，陈凌平，张 卿，刘 育

(西华大学 能源与环境学院，成都 610039)

采用CFD方法对简单调压室和阻抗式调压室进行数值模拟，计算出不同分流比下，调压室的阻力系数值，将模拟结果同文献中的试验值进行对比分析。结果表明，模拟曲线和试验曲线的趋势基本一致，并且模拟数值和试验数值高度吻合，该方法可应用在调压室的阻力系数研究中。在此基础之上，该方法应用在实际电站调压室的模拟中，并通过水力过渡过程的计算，验证了该结果的准确性。最后得出结论，CFD方法可应用于调压室的设计计算。

CFD方法；调压室；阻力系数；分流比；水力过渡过程

0 引 言

调压室是水电站用来控制水力过渡过程、降低管道水击压力和改善继续运行条件普遍采用的措施。它是利用调压室扩大底面积和自由水面使压力管道中传来的水锤波发生异号反射，从而减小压力管道和传入有压引水道的水锤压强，调压室的存在缩短了压力管道的长度，减小了管道中的水流惯性，有利于提高机组运行的稳定性和供电质量[1]。而调压室水头损失系数(阻力系数)的确定对计算其水力过渡过程有着很大的影响，因此正确判断和选择调压室水力特性参数很重要[2-3]。

对于调压室的研究，目前国内多是采用试验的方法进行研究，刘启钊、蔡付林、宋长福等人通过试验研究得出了简单调压室和阻抗式调压室阻力系数关于流量比的拟合公式和关系曲线。但是，试验的成本很高，过程复杂，缺乏合适的试验条件。鉴于CFD技术的兴起与发展，本文利用CFD软件FLUENT对典型的调压室进行数值模拟，并与前人的试验结果进行对比，初步确认该方法的可行性，并将该方法运用到实际电站。利用CFD方法，对国外某电站的调压室进行数值模拟，确定该调压室的阻尼系数及相关参数，然后通过水力过渡过程的计算，验证了该方法在调压室阻尼系数研究中的可行性。

1 调压室的验证性模拟

1.1 阻力损失系数的定义

为了得到准确的调压室阻力损失系数数据，速度与压力的监测点应远离分叉处，使被扰动的流速有足够的距离进行调整并趋于平缓。但是如果监测面离分叉处太远，则管道沿程阻力损失增大，因此监测数值误差较大。监测面应设置在水流相对稳定的断面处，即距离T型分叉处3～5倍管径位置处，在本文模拟中引水管道和大井监测面拟设置在距分叉处3倍管径处。记1，2断面的水力损失为ΔH12，见图1。由能量方程得：

(1)

图1 监测面位置示意图 Fig.1 Sketch map of monitoring position

而监测面远离调压室分叉处，水流相对稳定，故可近似的认为动能修正αi=αj=1,故：

(2)

则1，2两断面之间的阻力损失系数为：

(3)

式中v采用1-1断面速度。

断面速度和水力损失都可以根据监测数据计算得出。阻力损失系数ξ13计算与ξ12的计算方法相同；而计算阻力损失系数ξ21时速度v有

(4)

1.2 计算方法和边界条件的设置

调压室中流态为湍流，湍流方程选择k-ε方程；求解方法采用SIMPLEC算法[4-5]；其他的为默认设置。进口设置为速度进口(velocity-inlet)，为0.1 m/s，通过计算湍流强度为4.9%，水力半径为0.025 m；出口都设置成自由出口(outflow)，给定不同的流量比；考虑到调压室管道沿程阻力损失，对调压室管道设置粗糙度为0.000 1；调压室内部中心位置压力为101 325 Pa。近壁处理采用标准壁面函数法，迭代步骤500步。

1.3 结果与分析

按照上述方法和设置，对简单调压室和阻抗式调压室进行数值模拟，并将结果同文献[2]中的试验值结果进行对比，绘制曲线[2,6](图2、图3)。通过分析可知，不论是简单调压室还是阻抗式调压室，通过CFD方法模拟得出的阻尼系数随分流比的变化趋势同文献中试验值的变化趋势基本一致，在数值上也相近。但是，每个断面阻尼系数的模拟值要比试验值大，这是因为在模拟过程中简化了模型所导致的，比如没有考虑局部水头损失等，还有试验的模型同模拟的模型尺寸不同，这也导致两者在数值上的差异。但是，模拟值与试验值的最大误差为15%，是可以接受的[5]。

鉴于上述分析，只要在数值模拟计算中处理适当，计算得到的阻尼系数无论在变化规律上还是在数值上，均能同试验值相吻合。因此，初步确定CFD方法可用在调压室的设计计算。

图2 简单调压室阻力系数随分流比的变化Fig.2 Simple surge chamber’resistance coefficient with the split ratio

图3 阻抗式调压室阻力系数随分流比的变化Fig.3 Impedance surge chamber’ resistance coefficient with the split ratio

2 应用实例

2.1 电站的基本参数

某水电站上游正常水位155 m，最低水位154 m，尾水位100.55 m，电站共安装两台立式混流式水轮发电机组，单机额定出力14.492 8 MW，总出力为28.985 6 MW，单机额定流量为33.035 m3/s，额定转速为300 r/min，发电机飞轮力矩为355 t·m2，机组安装高程为100.08 m。水电站引水发电系统主要由上游水库、压力引水隧洞、压力钢管、上游调压室、水轮发电机组成。

调压室布置在引水隧洞的末端，引水隧洞长3 037.4 m，隧道中心纵坡是1.44%，压力管道162.4 m。采用阻抗式调压室布置，见图4。引水隧洞断面为圆形，断面直径5.2 m，调压室阻抗连接管长27.7 m，直径3.9 m，调压室大井与连接管之间作倒角处理，调压室大井是断面为圆形的柱体，直径为20 m，高度为29.2 m，其中大井底高程为141.5 m，大井顶高程为169 m。

图4 某水电站阻抗式调压室 Fig.4 Impedance surge of a hydropower station

2.2 数值模拟结果

通过对该电站的阻抗式调压室进行数值模拟，采用同上述相同的设置方法和求解方程，将模拟结果绘成曲线，见图5。由图5可见，该调压室的阻力损失系数同前文阻抗式调压室的阻力损失系数的趋势是一致的，ξ12随着Q2/Q1呈递增趋势。而随着流量比Q3/Q1的增加，ξ13先减小，流量比Q3/Q1=0.3时最小值ξ13=0.11，随后呈增加趋势。而ξ12随着Q2/Q1呈递增趋势。由于尺寸的原因，导致在具体数值上存在一定的差异。因此可认定试验值和模拟值对调压室水力过渡过程的影响相同。

图5 阻力系数随分流比的变化Fig.5 Resistance coefficient with the split ratio

2.3 水力过渡过程计算

将上文计算的阻抗式调压室阻力损失系数应用

到水力过渡过程计算中。对水电站水力过渡过程的计算结果有如下要求：①机组转速上升率≤45%；②蜗壳最大压力上升值≤50%；③调压室涌浪最高水位≤168.525 m，最低水位≥142.2 m；④尾水管最大真空度≤8 m H2O[7]。

水电站运行过程中的水力过渡问题或称非恒定流现象是不可避免的。正常运行的机组, 由于负荷的变化或事故停机, 迫使调速器自动调整导叶开度或关闭导叶, 导致水轮机流量、发电水头、机组转速的瞬间变化, 引起有压系统的非恒定流运动。这种不稳定的运行工况带来了管道内巨大的水锤压力、 机组转速升高以及运行不稳定性等工程问题[8]。

而对于此水电站可能出现的甩负荷情况，设定水电站3种可能的工况组合：额定水头下两台机组满载同时甩负荷，最大水头下两台机组满载同时甩负荷，一台机组满载且另一台机组从停机状态120 s后开始加载至满载。对这3种工况组合优化计算，导叶的关闭规律为一段关闭，直线关闭时间为6 s，计算结果见表1。

图6，图8，图10，图11显示在不同工况下的仿真结果曲线，其具体计算控制数值见表1。其中，横坐标表示时间(s)，纵坐标表示机组转速、导叶开度、蜗壳末端压力、尾水管进口压力的相对值。电站蜗壳机组最大转速上升值为40.05%，<45%；蜗壳最大压力上升值为26.3%，<50%；尾水管进口真空度最大为5.61 mH2O，<8 mH2O,满足要求。

表1 水电站水力过渡过程计算结果

图6 额定水头下两台机组满载同时甩负荷,1号机组过渡过程曲线Fig.6 The transition process curve of No.1 generatingunit when the two units rated water head under full load and load rejection

图7 额定水头下两台机组满载同时甩负荷,调压室涌浪曲线 Fig.7 Surge chamber curve when two generating units rated head under full load and load rejection

图8 最大水头两台机组满载甩负荷,1号机组计算曲线Fig.8 Unit 1 calculating curve when maximum head of two units of full load rejection

图9 最大水头两台机组满载,调压室涌浪曲线Fig.9 Surge chamber curve when maximum head of two units of full load rejection

图10 1号机组满载，2号机机组停机状态启动120 s开启至满载,1号机组水力过渡过程曲线 Fig.10 The transition process of unit 1 curve when unit 1 at full load unit 2 shut down start up 120 s opened to the full

图11 1号机组满载，2号机机组停机状态启动120 s开启至满载,2号机组水力过渡过程计算曲线Fig.11 Unit 2 load rejection when test data of the unit 2 that unit 2 opened in 120 s until full load at unit 1 opened

图7，图9，图12显示调压室涌浪的变化曲线，其计算结果见表1。调压室的最大涌浪高度为165.647 m，低于调压室最高水位，且最小涌浪高度为146.443 m，高于最低水位，满足要求。

图12 1号机组满载，2号机机组停机状态启动120 s开启至满载,调压室涌浪曲线Fig.12 Surge chamber curve when unit 1 at full load, unit 2 shut down start up 120 s opened to the full

通过以上分析可知，各项指标均满足水电站水力过渡过程的计算要求。也证明了通过数值模拟得到的阻尼系数值是正确的，同时证明了CFD方法在调压室的研究中是可行的。

3 结 论

1)本文采用CFD方法，通过对简单调压室和阻抗式调压室进行数值模拟，并与文献[2]中的试验值进行对比分析，初步认定CFD方法可以应用在调压室阻力系数的研究中。

2)通过对国外某水电站的阻抗式调压室进行数值模拟，获得了该阻抗式调压室阻力系数的变化关系曲线。对水电站进行水力过渡过程计算，结果表明，各项指标符合要求。最终确认CFD方法可以应用在实际调压室设计计算，并且是可行的。

3)为以后的调压室设计研究提供了新的方法和思路，可以降低试验研究所带来的成本。

[1]陈 丹.冲击式水轮机电站系统水力过渡过程研究[D].武汉：武汉大学，2014.

[2]刘启钊,彭守拙.水电站调压室[M].北京：水利水电出版社，1995.

[3]陈家远.水力过渡过程的数学模拟及控制[M].成都：四川大学出版社，2008.

[4]王福军.计算流体动力学分析[M]．北京：清华大学出版社，2004.

[5]程永光,杨建东. 用三维计算流体力学方法计算调压室阻抗系数[J].水利学报,2005,36(7)：787-792.

[6]蔡付林,胡 明,曹 青. 有长连接管的阻抗式调压室阻抗损失系数研究[J].水电能源科学,2001,19(4),40-42.

[7]沈祖诒.水轮机调节(第三版)[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[8]林劲松,巨 江,诸 亮,等.水电站水力过渡过程仿真计算的工程应用[J].水力发电学报,2010,29(1),31-37.

Feasibility study of CFD on the design calculation of surge chamber

QING Biao, YU Bo*,CHEN Ling-Ping,ZHANG Qing，LIU Yu

(School of Energy and Environment ,Xihua University,Chengdu 610039,China)

CFD method was adopted for simple surge chamber and impedance surge chamber by numerical simulation, surge chamber resistance coefficient values were calculated with different split ratios,and the simulation results and the experimental data were analyzed.The results showed, simulation and experimental curves were basically the same trend,numerical simulation and experimental values agree well, therefore, and the research can be initially determined that the method can be applied in the drag coefficient of the surge chamber. On this basis, this method was applied in the simulation of practical power station surge chamber, and through the calculation of hydraulic transition process, the accuracy of the results was verified.CFD method can be applied in the design of surge chamber calculation.

CFD method;surge chamber; resistance coefficient;split ratio;hydraulic transient process

10.13524/j.2095-008x.2015.02.020

2014-10-09;

2014-12-24

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150211.1451.004.html

国家自然科学基金资助项目(51379179)；西华大学研究生创新基金资助项目(ycjj2014073)；西华大学学术成果培育项目(SBZDPY-11-6)

卿 彪(1988-)，男，四川广安人，硕士研究生，研究方向：动力工程系统优化与节能技术，E-mail:qingbiao881112@163.com;*通讯作者：余 波(1965-)，男，四川西昌人，教授，硕士研究生导师，研究方向：水利水电工程及自动化、计算机监控与仿真技术等，E-mail：Yuba@163.com。

TV732.5

A

2095-008X(2015)02-0007-06