水电站沉沙池水沙运动规律模拟

洪振国，刘俊华，高 岚

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

0 引 言

在水利水电工程中，利用沉沙池降低含沙水流的流速、使泥沙沉降的有效措施，应用十分广泛。沉沙池沉沙的主要原理为：含沙水流进入沉沙池后，流速显著降低，挟沙能力降低，泥沙沉降，水流澄清，从而改变了原有水流泥沙运动的状态，降低泥沙对水轮机的磨损[1]。因此，研究沉沙池的流场分布非常重要，沉沙池运行效果的关键因素是沉沙池的流场分布。本文采用Fluent数值计算模拟沉沙池内的水流流态和水沙运动规律，并采用物理模型试验论证Fluent数值计算模拟水沙运动规律可行性，对于其他工程有一定参考作用。

1 工程概况

绿水溏水电站位于红河州开远市中和营乡，是以发电为单一任务、径流式开发的高水头电站。主要建筑物由取水口、沉沙池、引水渠道、压力前池及泄水道、压力管道、电站厂房组成[2]。水电站装机5 500 kW，引水流量1.72 m3/s，设计水头410 m，河道多年平均泥沙总量2.31万t，悬移质沙量1.92万t，推移质沙量0.39万t，沉沙池排除的泥沙最小危害粒径为0.25 mm。河水泥沙资料见表1。

表1 河水泥沙资料

沉沙池由首部扩散段、池身段、出水室及冲沙闸室、冲沙泄水道等部分组成[3]，沉沙池总长52 m。沉沙池首部扩散段与引水明渠相连接，长12 m，渠道断面宽度由2 m扩散为7 m，底坡i=0.093 3，底板高程由1 346.942 m降至1 345.822 m。沉沙池池身长40 m，宽7 m，底坡i=1%。出水室及冲沙闸室长6.5 m，侧向进水，正向冲沙[4]。出水室底板高程346.804 m，冲砂闸室板高程1 345.3 m。由于沉沙池紧接取水口，故不设进口工作闸门，仅在冲沙道入口设立一道1 m×1 m平板冲沙闸门。冲沙泄水道断面尺寸1.2 m×1.5 m，长17.7 m，底坡为i=1%。引至绿水溏河。

2 Fluent数值计算

本文采用Fluent数值计算模拟沉沙池的水流泥沙运动规律[5-6]，建立二维水流的紊流模型，采用控制体积法进行离散，对流函采用上风差分格式，对流量方程采用有限分析五点格式进行离散。网格划分用交错网格技术，最后采用高斯—塞德尔迭代与三对角矩阵相结合的方法求解方程组。

2.1 控制方程

水流连续方程

(1)

动量方程

(2)

紊动能方程

(3)

紊动能耗散率方程

(4)

式中，ui(i=1，2)为沿i方向的速度分量；xj为(j=1，2)为坐标系j方向的坐标；fi为沿i方向的质量力；p为压力；xi为(i=1，2)为坐标系i方向的坐标；v为水的运动粘性系数；vi为水沿i方向的运动粘性系数；uj(j=1，2)为沿j方向的速度分量；k为固体壁面紊动动能；vt为涡粘系数；σk为常数，σk=1.0；Pr为紊动能生成率；ε为固体壁面紊动耗散率；σε为常数，σε=1.3；Cε1为常数，Cε1=1.44；Cε2为常数，Cε2=1.92。

2.2 边界条件

根据流量和横截面尺寸计算沉沙池入口处的平均流速，其来流速度在垂直方向上呈对数分布。流场的出口近似按静水压力分布边界条件，流场在固壁上近似按无滑移边界条件，同时采用壁面函数法，计算固壁处的摩阻流速。流场表面为自由水面，速度和紊动动能均可视为对称平面处理，求紊动能耗散率。其他参数与试验的模型结构图(见图1)一致。

图1 沉沙池模型试验结构

2.3 网格的生成

模型进行计算网格划分，利用坐标网格创建节点，在2个节点之间创建直线，由边创建面；然后对各边定义网格节点的分布，在面上创建网格；在沉沙池的计算区域内共布置320×50个网格，网格形式为非正交结构四边形网格，为了能很好地模拟进水流态，在进口处网格较密，由于沉沙池内水流较为平缓，整个区域网格较为均匀。

3 物理模型试验

模型按重力相似准则设计，沉沙池物理模型采用有机玻璃制作。为正确模拟出沉沙池水沙运动规律，模型设计上采用正态模型，进而避免几何变态模型造成的建筑物扭曲，保证各向水流流速分布相似。模型试验流量由直角三角堰测量，水位采用测针测量，流速采用电磁流速仪测量，含沙量采用自制的虹吸式采样器采集浑水，然后用烘干法测量。物理模型比尺20∶1，流量比尺20∶1，流速比2.5，糙率比1.5，粒径比2.5，含沙量比2.5。沉沙池池长、宽度、底坡与数学模型的一致，模型沙选配主要考虑与泥沙沉降相似、泥沙起动相似进而确定悬移质沙粒径比尺和含沙量比尺，本试验模型选用粉煤灰作为模型沙。

沉沙池测点网格平面布置见图2。坐标系原点设为0点，轴坐标系横向设为x轴 ，纵向设为y轴。沿沉沙池工作段纵向选定了C1～C5共5个测量断面，两个相邻断面间距10 m。根据各测量断面的不同水深布置水平测线，分别在近水面、水面以下0.8 m、水面以下1.6 m、水面以下2.4 m处布置水平测线，每条测线布设5个测点，间距1.75 m。

图2 模型沉沙池测点网格平面布置

4 结果与分析

经过沉沙池数学计算和物理模型试验，得到纵向平均流速沿程分布，如图3所示。

图3 纵向平均流速沿程分布

由图3可知，纵向平均流速沿程呈现较大脉动衰减，前面流速波动较大，后面流速波动较小，纵向平均流速沿纵向分布越均匀，流场分布也越均匀，有利于泥沙在沉沙池内的沉降，沉沙池的沉降效果较好，沉沙池结构设计是合理的。纵向平均流速沿程数学计算值与物理试验值相差较小，因此物理模型试验验证了由数学模型计算模拟沉沙池纵向平均流速是可行的。

经过沉沙池数学计算和物理模型试验，得到C3断面横向平均流速分布情况如图4所示。

图4 横向流速分布情况

由图4可知，受沉沙池边壁影响，水流的横向流速呈正态分布，主流偏向沉沙池内侧，流速呈现左右侧流速小，中间较大，外内侧流速差值较小，水流扩散充分，横向流速分布均匀，横向流场分布均匀，有利于泥沙在沉沙池内的沉降，沉沙池的沉降效果较好，沉沙池结构设计是合理的。横向流速沿程数学计算值与物理试验值相差较小，物理模型试验验证了由数学模型计算模拟横向流速是可行的。

经过沉沙池数学计算和物理模型试验，得到纵向泥沙含量沿程分布情况如图5所示。

图5 纵向泥沙含量沿程的分布

综合图3～5可知，水流经首部扩散段后，随着过流断面沿程扩大，流速沿程递减，流场沿程递减，水流挟沙能力降低，泥沙逐渐沉落；纵向平均流速分布越均匀，流场分布也越均分布，横向流速分布越均匀，横向流场分布越均匀，有利于泥沙在沉沙池内的沉降。因此，纵向沉沙池沉沙效率增加，纵向泥沙含量减小，泥沙的水轮机磨损维修费减少。泥沙含量沿程数学计算值与物理试验值相差较小，物理模型试验验证了由数学模型计算模拟纵向泥沙含量是可行的。

5 结 论

(1)纵向平均流速沿程呈现较大脉动衰减，前面流速波动较大，后面流速波动较小，纵向平均流速沿纵向分布越均匀，流场分布也越均匀，水流的横向流速呈现正态分布形态，主流偏向沉沙池内侧，流速呈现左右侧流速小，中间较大，内外侧流速差值较小，水流得到充分扩散，横向流速分布均匀，横向流场分布均匀，有利于泥沙在沉沙池内的沉降，沉沙池的沉降效果较好，沉沙池结构设计是合理的。

(2)沉沙池流速沿程递减，流场沿程递减，水流挟沙能力降低，泥沙逐渐沉落。纵向平均流速分布均匀，流场分布均匀；横向流速分布均匀，横向流场分布均匀，有利于泥沙在沉沙池内的沉降。因此纵向沉沙池沉沙效率增加，纵向泥沙含量减小，水轮机磨损维修费减少。泥沙含量沿程数学计算值与物理试验值相差较小，物理模型试验验证了由数学计算模拟纵向泥沙含量是可行的。

(3)本文建立二维水流的紊流模型，采用Fluent数值计算模拟沉沙池内的水流流态和泥沙运动规律，该方法有助于提高沉沙池设计的准确性和合理性。