抽水蓄能电站进出水口水力性能优化

高亚楠

(中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

1 概 述

抽水蓄能电站不同于常规水电站，其进水口与出水口合一，呈双向运行，进出水口的水力特性较为复杂，入流时易产生涡旋、出流时各通道流速分布和流量分配不均匀。进出水口水头损失的大小直接关系到电站的经济效益[1-3]，进出水口的水力性能研究一直以来都被设计者所关注。随着计算流体动力学的进步和计算机硬件性能的不断提高，三维数值模拟越来越精确，在水电站的设计、优化中已得到广泛应用，数值模拟技术己经成为水电站开发、设计及优化的有力工具[4-5]。本文采用三维数值模拟，对某抽水蓄能电站进出水口从流速分布、流量分配、水头损失等方面进行水力性能优化及对比研究，详细分析各体型进出水口的流速不均匀系数、孔口流量分配系数、水头损失系数，为类似优化设计问题提供参考。

2 体型优化设计

某抽水蓄能电站初步布置为：三洞六机布置，发电工况额定单机流量为57.8 m3/s，抽水工况单机最小扬程抽水流量为48.76 m3/s。上库进出水口采用岸边侧式，3个进出水口体型相同，平行布置。每个进出水口的防涡梁段长10 m，共设5道防涡梁，断面尺寸为1.0 m×1.5 m，梁间距1.0 m；设2个分流墩，将进出水口分成3孔，孔口尺寸为5.5 m×9.0 m，分流墩宽度为1.5 m，每孔净宽5.5 m，分流墩墩头迎水面为圆弧曲线；扩散段长34.5 m，平面为双向对称扩散，总扩散角24.212°，立面为单向扩散，顶板扩散角4.965°，起点净空为3×5.5×9.0 m，末端净空为4.7×6.0 m，边墩、底板、分流墩厚均为1.5 m，顶板厚1.0 m，每个扩散段内由3个分流墩分成3个流道，每个流道的扩散角均小于10°。

若按以上体型设计，虽满足规范要求并符合推荐设置范围，但水流流速分布仍不够均匀、流场分布不够平顺。针对这种情况，拟采用三维数值模拟方法，局部优化进出水口体型，以工程量调整少为标准，在局部调整后，对比分析哪种优化体型的水力性能更优。

拟优化体型共3种，分别为：①体型一：中孔缩小为5 m；②体型二：中孔分流比由0.32升至0.34，墩尾间距为1.598 m；③体型三：分流墩尾部向上库移动0.5 d=2.35 m。

3 数值模拟

3.1 控制方程

紊流是黏性流体在一定条件下所产生的一种运动方式，因而描述黏性流体运动的Navier—Stokes方程适用于紊流。由于紊流运动的复杂性，试图求解整个流场的全部流动细节既不经济也没有可能，有意义的只是紊流的统计平均值。按雷诺的时间平均法简要介绍紊流的连续方程和运动方程，不可压缩流体的连续方程为：

不可压缩流体的运动方程为：

计算选用由Launder Spalding提出的标准k-ε模型，是基于求解紊动能k和紊动扩散率ε的输运方程而建立起来的半经验的紊流模型。紊动能k的输运方程是由精确方程推导得到的，而紊动扩散率ε的输运方程就存在着一定的近似处理。在推导标准k-ε模型的过程中，认为紊流是充分发展的，而且忽略了分子的粘性作用。

标准k-ε模型的输运方程，紊动能k的输运方程：

Gk+Gb-ρε+Sk

(3)

紊动扩散率ε的输运方程：

3.2 边界条件

在数值模拟计算过程中，各种紊流模型控制方程只有确定了合理的边界条件，才可能计算出流场的解。本次计算采用单向流模拟进出水口的双向流动，在正常蓄水位下，设置发电工况为速度进口、自定义的梯度压力出口；抽水工况为速度进口、水库断面自由出流计算；无滑移壁面设定相应粗糙度；利用k-ε模型减小松弛系数迭代得到流场。对于自由液面采用刚盖假定，设置对称边界条件近似模拟自由表面平缓、波动较小的水面。其它壁面边界设为无滑移的固壁边界条件。

数值模拟所建立的三维计算模型见图1。

图1 数模三维模型图

4 计算结果对比分析

根据建立进出水口三维紊流数学模型，通过采用有限体积法对控制方程在非结构网格上离散，计算得出各体型的流场分布，并将水力性能优化指标进行量化，对比分析如下：

4.1 流速不均匀系数

通过测定进出水口的流速分布，可判断流速分布的均匀性，流速分布不均匀系数为断面最大流速与平均流速的比值，表征断面流速分布的均匀程度。通常要求拦污栅门槽处流速分布能够满足：抽水时流速分布不均匀系数不超过1.5，发电时流速分布不均匀系数不超过2.0。

断面1、2、3分别位于拦污栅边孔、中孔、边孔门槽，通过对比计算，各体型进出水口流速不均匀度见图2-图3。

图2 正常蓄水位发电工况

图3 正常蓄水位抽水工况

较之原体型，中孔在体型改进下均呈现流速增大现象。其中，体型一改进后的中孔平均流速最大，不均匀系数最小；体型三的中孔平均流速较其余两个体型增加最少，但不均匀系数却是最大，这与缩短平方段分流墩的墩尾，不能更好引导水流通过收缩段有关；体型二的中孔平均流速增大幅度在3体型中位于适中位置，不均匀系数值也在两者之间。中孔在抽水工况的平均流速最大值也出现在体型一，中孔不均匀系数最大值亦出现在体型三，体型二的参数值依旧适中，这与发电工况趋势一致。

4.2 孔口流量分配系数

分流系数为某一流道的过流量与平均分流流量之间的比值，分流系数可表征水流在各孔流道之间分配均匀程度，一般情况下分流系数处在0.9～1.1之间。断面1、2、3分别位于拦污栅后扩散段中部，分别为边孔、中孔、边孔流道断面。进出水口孔口流量分配系数计算结果见图4-图5所示，综合对比计算结果，比较之下体型二各孔道流量最为均匀。

图4 正常蓄水位发电工况

图5 正常蓄水位抽水工况

4.3 水头损失及水头损失系数

进出水口水头损失主要为局部水头损失，其水头损失的大小是衡量进出水口水流条件优劣指标。通过计算，体型二的水头损失系数最小，虽然受水流紊动影响，扩散段近壁局部区域仍有回流发生，但和其它体型相比，水流流态已经得到明显改善。计算对比结果见表1。

表1 水头损失系数

5 结 论

本文采用三维数值模拟方法优化设计抽水蓄能电站的进出水口体型，分析不同优化体型的水力性能，利用流速不均匀度、孔口流量分配、水头损失等指标分析流场，评估不同体型的水力特性。通过与原体型计算结果对比得出，适当加大分流墩尾部的中孔间距可使得流速分布更均匀、水流扩散更为平稳。在工程设计人员对抽水蓄能进出水口初步开展体型设计，考虑如何在满足规范取值范围内优化体型时，此优化设计思路及方法可为水电工程设计人员遇到类似问题时提供一些参考。