水電站沉沙池水沙運動規律模擬

洪振國，劉俊華，高 嵐

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

0 引 言

在水利水電工程中，利用沉沙池降低含沙水流的流速、使泥沙沉降的有效措施，應用十分廣泛。沉沙池沉沙的主要原理為：含沙水流進入沉沙池后，流速顯著降低，挾沙能力降低，泥沙沉降，水流澄清，從而改變了原有水流泥沙運動的狀態，降低泥沙對水輪機的磨損[1]。因此，研究沉沙池的流場分布非常重要，沉沙池運行效果的關鍵因素是沉沙池的流場分布。本文采用Fluent數值計算模擬沉沙池內的水流流態和水沙運動規律，并采用物理模型試驗論證Fluent數值計算模擬水沙運動規律可行性，對于其他工程有一定參考作用。

1 工程概況

綠水溏水電站位于紅河州開遠市中和營鄉，是以發電為單一任務、徑流式開發的高水頭電站。主要建筑物由取水口、沉沙池、引水渠道、壓力前池及泄水道、壓力管道、電站廠房組成[2]。水電站裝機5 500 kW，引水流量1.72 m3/s，設計水頭410 m，河道多年平均泥沙總量2.31萬t，懸移質沙量1.92萬t，推移質沙量0.39萬t，沉沙池排除的泥沙最小危害粒徑為0.25 mm。河水泥沙資料見表1。

表1 河水泥沙資料

沉沙池由首部擴散段、池身段、出水室及沖沙閘室、沖沙泄水道等部分組成[3]，沉沙池總長52 m。沉沙池首部擴散段與引水明渠相連接，長12 m，渠道斷面寬度由2 m擴散為7 m，底坡i=0.093 3，底板高程由1 346.942 m降至1 345.822 m。沉沙池池身長40 m，寬7 m，底坡i=1%。出水室及沖沙閘室長6.5 m，側向進水，正向沖沙[4]。出水室底板高程346.804 m，沖砂閘室板高程1 345.3 m。由于沉沙池緊接取水口，故不設進口工作閘門，僅在沖沙道入口設立一道1 m×1 m平板沖沙閘門。沖沙泄水道斷面尺寸1.2 m×1.5 m，長17.7 m，底坡為i=1%。引至綠水溏河。

2 Fluent數值計算

本文采用Fluent數值計算模擬沉沙池的水流泥沙運動規律[5-6]，建立二維水流的紊流模型，采用控制體積法進行離散，對流函采用上風差分格式，對流量方程采用有限分析五點格式進行離散。網格劃分用交錯網格技術，最后采用高斯—塞德爾迭代與三對角矩陣相結合的方法求解方程組。

2.1 控制方程

水流連續方程

(1)

動量方程

(2)

紊動能方程

(3)

紊動能耗散率方程

(4)

式中，ui(i=1，2)為沿i方向的速度分量；xj為(j=1，2)為坐標系j方向的坐標；fi為沿i方向的質量力；p為壓力；xi為(i=1，2)為坐標系i方向的坐標；v為水的運動粘性系數；vi為水沿i方向的運動粘性系數；uj(j=1，2)為沿j方向的速度分量；k為固體壁面紊動動能；vt為渦粘系數；σk為常數，σk=1.0；Pr為紊動能生成率；ε為固體壁面紊動耗散率；σε為常數，σε=1.3；Cε1為常數，Cε1=1.44；Cε2為常數，Cε2=1.92。

2.2 邊界條件

根據流量和橫截面尺寸計算沉沙池入口處的平均流速，其來流速度在垂直方向上呈對數分布。流場的出口近似按靜水壓力分布邊界條件，流場在固壁上近似按無滑移邊界條件，同時采用壁面函數法，計算固壁處的摩阻流速。流場表面為自由水面，速度和紊動動能均可視為對稱平面處理，求紊動能耗散率。其他參數與試驗的模型結構圖(見圖1)一致。

圖1 沉沙池模型試驗結構

2.3 網格的生成

模型進行計算網格劃分，利用坐標網格創建節點，在2個節點之間創建直線，由邊創建面；然后對各邊定義網格節點的分布，在面上創建網格；在沉沙池的計算區域內共布置320×50個網格，網格形式為非正交結構四邊形網格，為了能很好地模擬進水流態，在進口處網格較密，由于沉沙池內水流較為平緩，整個區域網格較為均勻。

3 物理模型試驗

模型按重力相似準則設計，沉沙池物理模型采用有機玻璃制作。為正確模擬出沉沙池水沙運動規律，模型設計上采用正態模型，進而避免幾何變態模型造成的建筑物扭曲，保證各向水流流速分布相似。模型試驗流量由直角三角堰測量，水位采用測針測量，流速采用電磁流速儀測量，含沙量采用自制的虹吸式采樣器采集渾水，然后用烘干法測量。物理模型比尺20∶1，流量比尺20∶1，流速比2.5，糙率比1.5，粒徑比2.5，含沙量比2.5。沉沙池池長、寬度、底坡與數學模型的一致，模型沙選配主要考慮與泥沙沉降相似、泥沙起動相似進而確定懸移質沙粒徑比尺和含沙量比尺，本試驗模型選用粉煤灰作為模型沙。

沉沙池測點網格平面布置見圖2。坐標系原點設為0點，軸坐標系橫向設為x軸 ，縱向設為y軸。沿沉沙池工作段縱向選定了C1～C5共5個測量斷面，兩個相鄰斷面間距10 m。根據各測量斷面的不同水深布置水平測線，分別在近水面、水面以下0.8 m、水面以下1.6 m、水面以下2.4 m處布置水平測線，每條測線布設5個測點，間距1.75 m。

圖2 模型沉沙池測點網格平面布置

4 結果與分析

經過沉沙池數學計算和物理模型試驗，得到縱向平均流速沿程分布，如圖3所示。

圖3 縱向平均流速沿程分布

由圖3可知，縱向平均流速沿程呈現較大脈動衰減，前面流速波動較大，后面流速波動較小，縱向平均流速沿縱向分布越均勻，流場分布也越均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結構設計是合理的?？v向平均流速沿程數學計算值與物理試驗值相差較小，因此物理模型試驗驗證了由數學模型計算模擬沉沙池縱向平均流速是可行的。

經過沉沙池數學計算和物理模型試驗，得到C3斷面橫向平均流速分布情況如圖4所示。

圖4 橫向流速分布情況

由圖4可知，受沉沙池邊壁影響，水流的橫向流速呈正態分布，主流偏向沉沙池內側，流速呈現左右側流速小，中間較大，外內側流速差值較小，水流擴散充分，橫向流速分布均勻，橫向流場分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結構設計是合理的。橫向流速沿程數學計算值與物理試驗值相差較小，物理模型試驗驗證了由數學模型計算模擬橫向流速是可行的。

經過沉沙池數學計算和物理模型試驗，得到縱向泥沙含量沿程分布情況如圖5所示。

圖5 縱向泥沙含量沿程的分布

綜合圖3～5可知，水流經首部擴散段后，隨著過流斷面沿程擴大，流速沿程遞減，流場沿程遞減，水流挾沙能力降低，泥沙逐漸沉落；縱向平均流速分布越均勻，流場分布也越均分布，橫向流速分布越均勻，橫向流場分布越均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降。因此，縱向沉沙池沉沙效率增加，縱向泥沙含量減小，泥沙的水輪機磨損維修費減少。泥沙含量沿程數學計算值與物理試驗值相差較小，物理模型試驗驗證了由數學模型計算模擬縱向泥沙含量是可行的。

5 結 論

(1)縱向平均流速沿程呈現較大脈動衰減，前面流速波動較大，后面流速波動較小，縱向平均流速沿縱向分布越均勻，流場分布也越均勻，水流的橫向流速呈現正態分布形態，主流偏向沉沙池內側，流速呈現左右側流速小，中間較大，內外側流速差值較小，水流得到充分擴散，橫向流速分布均勻，橫向流場分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降，沉沙池的沉降效果較好，沉沙池結構設計是合理的。

(2)沉沙池流速沿程遞減，流場沿程遞減，水流挾沙能力降低，泥沙逐漸沉落?？v向平均流速分布均勻，流場分布均勻；橫向流速分布均勻，橫向流場分布均勻，有利于泥沙在沉沙池內的沉降。因此縱向沉沙池沉沙效率增加，縱向泥沙含量減小，水輪機磨損維修費減少。泥沙含量沿程數學計算值與物理試驗值相差較小，物理模型試驗驗證了由數學計算模擬縱向泥沙含量是可行的。

(3)本文建立二維水流的紊流模型，采用Fluent數值計算模擬沉沙池內的水流流態和泥沙運動規律，該方法有助于提高沉沙池設計的準確性和合理性。