分岔角對岔管水力特性的影響研究

趙迎潔，李 妍，張 韻，胡齡方

(天津農學院 水利工程學院，天津 300384)

0 引 言

岔管是抽水蓄能電站常用的引水建筑物，其管內水流具有雙向流動的特點，流態復雜，岔管處能量損失往往占據整個引水系統的主要部分[1]，因此研究岔管的合理體型十分必要。鑒于物理模型試驗具有模型占用場地大，費用高，試驗周期長等缺點，近年來，數值模擬方法也已成為研究岔管水力特性的重要手段之一。如楊校禮[2]對三岔管內水流運動特性進行數值模擬，并分別討論了肋寬比、分岔角、管徑比及流量對岔管水頭損失的影響；馮艷等[3]采用數值模擬方法對非對稱Y形和對稱Y形兩種岔管體型，從水頭損失、流態分布等方面進行了對比分析；陳青生等[4]采用數值模擬方法研究了抽水蓄能電站同發同抽等流量運行工況下岔管的水力特性；任煒辰[5]等通過數值模擬方法，對比分析設置圓弧形、直線倒角體型岔管的水力特性，從水流流態、泄流能力等方面進行了研究。

依據現有研究成果，很多學者已經分析了分岔角對岔管水力特性的影響[6-7]，但研究成果多是針對雙機發電、雙機抽水的工況，而岔管還存在著單機運行的情況，因此文章針對各種可能出現的工況，采用數值模擬的方法系統研究保持岔管其他體型參數不變只改變分岔角度，岔管水頭損失及水流流態的變化規律。

1 數學模型

1.1 控制方程

1)連續性方程：

(1)

2)動量方程：

(2)

3)x方程：

(3)

4)ε方程：

(4)

上述方程中，τij為Reynolds應力項；Si,j為時均應變率；k為湍動能；ε為湍動耗散率；μt為湍動黏度；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產生；σε和σk為k、ε方程的湍流Prandtl數，在Fluent中，取默認值常數，σε=1.2；σk=1.0。

模型求解采用有限體積法，壓力—速度耦合采用SIMPLE算法，邊壁處理采用壁函數法。

1.2 計算模型及邊界條件

岔管計算模型，見圖1。模型整體采用混合網格，其中管道采用六面體網格，岔管分岔處采用三角形加密網格，岔管處網格圖，見圖2。發電工況時，主管上游50m斷面為進流邊界，各支管下游50m斷面為出流邊界；抽水工況剛好相反。進流邊界設為流速進口，以斷面平均流速給定；出流邊界設為自由出流，以大氣壓強給定。

圖1 岔管計算模型 圖2 岔管處網格圖

2 計算結果分析

2.1 計算工況

分岔角是由兩支管軸線相交形成的夾角，記為θ。保持其他體型參數不變的條件下，取分岔角在65°～90°之間進行研究，探討分岔角與岔管水力特性的關系。計算工況，見表1。

表1 計算工況

2.2 發電工況

2.2.1 水頭損失

因岔管體型對稱，主管與兩支管間的水流變化規律基本相同，因此文章僅對支管1進行討論。根據能量方程計算岔管水頭損失，水頭損失系數計算公式為ξ1-0=2gh1-0/v02其中h0-1表示0-1斷面間水頭損失(見圖1)，計算斷面分別取，v0表示主管水流流速。

分岔角與水頭損失系數的關系(發電工況)，見圖3。為雙機發電和單機發電工況下，分岔角與水頭損失系數的關系。隨分岔角增大，雙機發電工況下，岔管水頭損失系數亦略有增加；而單機發電工況下，岔管水頭損失系數明顯減小。

圖3 分岔角與水頭損失系數的關系(發電工況)

2.2.2 水流流態

雙機發電時，在各工況下，水流由主管流入支管，主管內流速均勻，主流集中在管中心位置，水流進入岔管處水流發生分流，在肋板附近形成流速較小的區域，水流進入支管后，由于水流的慣性作用，水流偏向支管內側。水流在岔管處發生流線的轉折，隨著分岔角的增大，流線轉折加劇，同時進入支管后水流流速分布越不均勻，隨著主流偏離管道中心線的程度加大，引起岔管水頭損失的增大。

單機發電時，在各工況下，水流由主管流入支管，越靠近岔管位置處，主管內斷面流速分布越不均勻，主流偏向于運行支管一側，同時進入支管后水流明顯偏向支管外側。因水流摩擦作用，在停機支管一側產生回流區，同時在運行支管一側，月牙肋板后產生水流分離區，且隨著分岔角的增加，分離區范圍明顯縮小，從而引起水頭損失的減小。

2.3 抽水工況

2.3.1 水頭損失

根據能量方程計算岔管水頭損失，水頭損失系數計算公式為：

ξ1-0=2gh1-0/v02

(5)

分岔角與水頭損失系數的關系(抽水工況)，見圖4。為雙機抽水和單機抽水工況下，分岔角與水頭損失系數的關系。隨分岔角增大，雙機抽水工況下，岔管水頭損失系數亦略有增加；而單機抽水工況下，岔管水頭損失系數先減小后增加。

圖4 分岔角與水頭損失系數的關系(抽水工況)

2.3.2 水流流態

雙機抽水時，在各工況下，水流由支管流入主管，支管內流速均勻，主流集中在管中心位置，兩支管水流在岔管處發生匯流，在肋板附近形成流速較小的區域，水流進入主管后，沒有出現偏流，主流居于管中線附近。水流在岔管處發生匯流，兩股水流發生碰撞，隨著分岔角的增大，碰撞程度隨之加大，流線轉彎角度也增加，引起岔管水頭損失的增大。

單機抽水時，在各工況下，運行支管內流速均勻，主流居于管中。受慣性力影響，運行支管一側水體進入主管，流線在岔管處發生彎折，水流進入主管后發生明顯偏移。同時受水流摩擦作用，在靠近停機支管一側產生較大范圍的回流區。隨著分岔角的的增加，分流區范圍明顯減小，水頭損失系數有所降低，但分岔角進一步增大，流線彎曲進一步加劇，水頭損失系數又增加了。

3 結 論

分岔角是岔管重要的體型參數之一，對岔管的水力特性有著顯著影響。文章采用數值模擬方法，針對不同工況，從水頭損失和水流流態兩個角度進行對比分析，探討分岔角變化時，岔管的水流運動變化規律。計算結果表明：

1)雙機發電和雙機抽水時，分岔角越小，水頭損失系數越小且水流流態越好。

2)單機發電時，水頭損失系數隨分岔角的增加而減小，主要是因為運行支管內側，肋板后產生的水流分離區不斷減??；單機抽水時，水頭損失系數隨分岔角的增加出現先減后增的變化趨勢，主要是因為停機一側水流分流區范圍不斷減小引起水頭損失系數的減小，而流線彎折加劇造成水頭損失系數增大，是這兩種水流流態變化綜合作用的結果。

3)從水力學的角度，綜合考慮各種工況，建議分岔角不應過大或過小，在70°～80°之間為宜。