抽水蓄能電站側式進出水口體型優化的數值模擬

熊保鋒

摘 要：為了對抽水蓄能電站進出水口體型進行優化，該文應用三維水力學數值模擬方法，對某抽水蓄能電站進出水口在不同工況下的流速分布、流量分配等水流特性進行了研究。結果表明，攔污柵斷面流速不均勻系數和各流道流量分配系數不滿足要求。針對抽水蓄能電站水位變化幅度大，在發電和抽水工況下水流方向相反的特點，對原設計體型進行了優化，使各項水力參數達到比較理想的效果，成功地解決了抽水蓄能電站側式進出水口進出流時流態分布不均勻的難題。

關鍵詞：抽蓄 側式進出水口 體型優化 數值模擬

中圖分類號：TV131 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0062-05

Abstract：To optimize pump storage plant structure， 3D numerical simulation of water flow was carried out for the design of a pump storage plant to study on flow characteristics such as the velocity and quality distribution. The results showed that nonuniform coefficient of velocity and coefficient of flow distribution did not satisfy the requirement. Because the water level in the reservoir of pumped storage plants changes within a large range and the water in the inlet-outlet flows in two directions， the primary shape is successfully optimized so as to make the hydraulic parameters better， the problems of lateral short inlet/ outlet of pumped-storage plant in which flow velocity and flow distribution is asymmetric and are all resolved.

Key Words：Pumped storage plants； Lateral inlet/outlet； Structure optimization； 3D numerical modeling

抽水蓄能電站因調峰運行的特點，上、下水庫都需要一定的調峰庫容，一般布置成有壓進出水口。抽蓄電站進出水口既要適應水流雙向流動，又要適應水庫水位驟降變化，與常規水電站進水口相比，它的構造和設計有如下主要特點：（1）由于水流雙向運動，因此體型輪廓設計要求更為嚴格。進水時要逐漸收縮，出水時應逐漸擴散，全斷面上流速盡量均勻，不發生回流、脫流、吸氣旋渦。（2）由于發電和抽水時均要過水，因此水頭損失盡可能小[1-8]。

1 工程概況

某抽蓄輸水系統主要建筑物包括上庫進出水口、上庫事故閘門井、引水洞及鋼岔管、尾水支管、尾水岔管、尾水調壓室、尾水隧洞、下庫進出水口等。引水系統和尾水系統均采用兩洞四機布置，共分兩個水力單元。上、下庫進出水口之間輸水系統總長約2.2 km，其中引水系統長約1 300 m，尾水系統長約900 m。下水庫校核洪水位231.04 m，設計洪水位230.87 m，正常蓄水位225.00 m，死水位203.00 m。下庫進出水口原設計平剖面結構布置見圖1、圖2，原設計體型分流墩孔口比為0.22∶0.28，上游隧洞底坡9.04%，流道擴散段底平，上部擴散角4.879°。

下庫進出水口典型計算工況見表1，發電工況為下庫進出水口出流，抽水工況為下庫進出水口進流。尾水隧洞為兩洞四機布置。

為保證給各流道配水均勻，并防止攔污柵振動，抽蓄進出水口體型設計需滿足如下兩條要求。

（1）流速不均勻系數：進出口水口各流道攔污柵斷面的流速分布不均勻系數為斷面最大流速與平均流速的比值，表征斷面流速分布的均勻程度。為防止攔污柵振動，通常要求攔污柵門槽處流速分布能夠滿足流速分布不均勻系數不超過2.0[9]。

（2）孔口流量分配系數：進出水口各流道分流系數為某一流道的過流量與平均分流流量之間的比值，分流系數可表征水流在各孔流道之間分配均勻程度。一般要求各孔流道的過流量均布均勻，分流系數處在0.9～1.1之間[10]。

2 數學模型建立

流經下庫進出水口的水流為紊流，此研究采用紊流數學模型[11]，連續方程、動量方程和、方程可分別表示如下：

下庫單體進出水口數值計算時水庫模擬范圍120 m×120 m，上游隧洞模擬長度120 m，分流墩及防渦梁部位建模見圖3。發電時順水流方向從左到右將下庫進出水口4個流道依次編號為1#～4#流道。上游隧洞斷面由穩定狀態下的流量確定進出流速度，水庫斷面給定相應庫水位。

所有流體計算區域均采用六面體網格，網格尺度0.1～1.5 m，邊壁設置為無滑移固體壁面條件，對靠近壁面的第一層網格節點采用考慮壁面粗糙度影響的壁函數法處理。流道部分網格劃分見圖4。由于攔污柵結構和主體部分幾何尺寸相差較大，網格劃分困難，該計算模型未考慮攔污柵。

3 計算結果分析

3.1 原設計體型的數值分析

通過對原設計體型發電、抽水工況進行數值模擬，有如下結果。

（1）流速不均勻系數：抽水工況（進流）時流速不均勻系數介于1.06～1.20，滿足要求；發電工況（出流）時流速不均勻系數介于1.91～2.39，中間兩個流道（2#、3#流道）的流速不均勻系數較兩側流道（1#、4#流道）大，中間流道的流速不均勻系數大于2.0，不滿足要求。

（2）孔口流量分配系數：除死水位抽水工況（進流）時的各孔流量分配系數不在（0.9～1.1）之間，其余工況均在（0.9～1.1）之間。

以正常蓄水位為例，攔污柵斷面流速分布云圖見圖5，由圖5可見，攔污柵斷面流速均勻性較差。

3.2 優化體型的數值分析

經過對比大量體型的計算分析得出，進出水口各流道的流量分配系數及攔污柵斷面流速不均勻系數與流道分流墩處的孔口比、上游隧洞底坡、擴散段體型關系密切。優化體型在原設計體型基礎上做了如下修改，調整后的平剖面布置圖見圖6、圖7。

（1）分流墩孔口比由0.22∶0.28調整為0.24∶0.26，即孔口寬度由1.38 m、1.62 m調整為1.44 m、1.56 m。

（2）將擴散段體型調整為四向擴散，豎直方向上下擴散角4.908°，水平方向擴散角度維持原設計不變。

（3）將上游隧洞由底坡由9.04%調整為平坡。

3.2.1 流速不均勻系數

優化體型的攔污柵斷面流速不均勻系數見表2，發電工況下2#、3#流道攔污柵中心線流速不均勻系數最大為1.98。抽水工況下攔污柵斷面流速不均勻系數最大為1.12。該計算是在未考慮攔污柵的前提下進行的，而參考類似工程經驗考慮攔污柵對水流的均化作用，攔污柵的存在一般能使攔污柵斷面處的流速不均勻系數降低0.2左右，故該體型攔污柵斷面流速不均勻系數滿足要求。

各工況下攔污柵斷面中心線流速分布曲線圖見圖8。

3.2.2 孔口流量分配系數

針對優化體型，取流道分流墩變截面處的流量，并計算得出各流道的分流比及分流系數，見表3。發電及抽水工況下各流道的分流較均勻，分流系數均在0.9～1.1區間，滿足要求。

注：流量斷面位置說明：取1#孔（邊孔）、2#孔（中孔）、3#孔（中孔）、4#孔（邊孔）流道分流墩變截面處。

3.2.3 流場分析

發電和抽水工況下的攔污柵斷面流速分布云圖見圖9。發電工況下攔污柵斷面水流分布均勻性較原設計體型得到明顯改善，但中間和兩側流道的流速分布差別依然較明顯。抽水工況下中間兩個流道流速分布均勻，兩側流道的流速分布均勻性較中間流道差，發電和抽水工況下攔污柵斷面沒有反向流速區。

抽水和發電工況均沒未發現有害回流及環流，水面波動小，進出水口附近未產生有害旋渦。抽水工況下的淹沒深度滿足要求，消渦梁的設置能夠明顯地削弱回流等不良流態，未見表面旋渦，有利于進出水口水動力條件的改善。

各工況下，所取斷面無負壓發生，沿程壓力自進出水口向上游逐漸增加，變化過程平順，無突變現象。

4 結語

通過上述側式進出水口的三維數值模擬，成功地對原設計體型進行了優化。優化后的體型各流道流量均勻，攔污柵斷面流量分布均勻，解決了抽水蓄能電站側式進出水口進出流時流態分布不均勻的難題，提供了可供借鑒的側式進出水口的設計優化經驗。

參考文獻

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[2] 楊小亭，張強，鄧朝暉.抽水蓄能電站進出水口模型試驗[J].武漢大學學報：工學版，2007（1）：66-68.

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