某抽水蓄能電站泄水建筑物數值模擬研究＊

王多平，賈麗炯

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021）

抽水蓄能電站進/出水口的水力條件比較復雜，對電站運行的影響比一般常規電站大，同時泄放洞進口與進/出水口距離較近，且均處在山體凹側，二者之間存在一定的影響和干擾[1]。所以在各種工況水位條件下，為更好地模擬發電和抽水時的水流情況和泄水洞泄流時的進口流態，對初擬的調整方案予以驗證，并提出改善意見，最終推薦合理的布置形式，特進行本次水工模型試驗。

1 工程概況

某抽水蓄能電站由上下水庫、發電廠房洞群、輸水系統、開關站、下水庫泄水建筑等組成，輸水系統由上庫進/出水口、上游事故閘門井、斜井式引水隧洞、引水岔管、高壓支管、尾水支管、尾水岔管、尾水調壓井、尾水隧洞、下游檢修閘門井、下庫進/出水口等組成，上下水庫相對高差約456 m，輸水系統總長約2 233.2 m。下庫泄放洞布置在下岸水庫右岸，進口布置在下庫進/出水口施工圍堰內，底板高程為172.0 m；出口布置在下岸水庫大壩下游約1 km 處的轉彎段凹岸，出口高程160.0 m；泄放洞全長約791 m，隧洞內徑7.4 m；由進口引水渠、事故閘門、有壓洞段、工作弧門、無壓洞段、出口消能工組成。由于泄放洞開挖進洞點位于下庫進/出水口引水明渠的回流區，為避免泄放洞運行與電站抽水組合工況下發生危害性漩渦，采用混凝土明洞方式將泄放洞進口向下水庫內延伸，進口包括防渦梁段、收縮段和方洞段[2]，如圖1所示。

2 水工模型數值模擬

2.1 建模及網格劃分要求

使用Gambit 軟件建立模型，仿真實驗當中由于關注水流流態，因此在劃分網格時靠近表面層處的網格要密些，靠近遠處水流的地方網格可以疏松些。這樣處理的好處是不僅不影響邊界處的流場分析效果，而且可以減少計算網格，減少內存占用量。

網格劃分是仿真實驗中最基本也是最重要的一步，不僅影響以后仿真計算的精度，而且對收斂性也有很大的影響，如果網格質量不好可能會使仿真得不到有效的收斂解。為提高收斂性，本水工模型數值模擬全部使用六面體結構化網格，詳細模型網格如圖2所示。

2.2 定義模型邊界條件

使用Gambit 建模前，定義2 個圓管為流速進口，頂蓋為壓力出口，下庫出水管為自由出流。其余壁面為wall 邊界，處理時會將它默認為絕熱無滑移壁面邊界條件，并利用標準壁面函數進行求解。

2.3 選擇求解器及模型

本次設計的是水氣二相流，流速較小，馬赫數速度較慢，故而選用基于壓力進行求解。Fluent 基于壓力的求解器主要用于解決低于0.3 馬赫數的不可壓縮流動問題，由于Fluent 軟件在基于壓力求解器中引入了理想氣體狀態方程，故而也能夠解決一些涉及密度變化的流動問題。壓力求解器完全符合本次研究要求，計算模型選擇多相流模型以及湍流模型。

多相流模型選用VOF（Volume of Fluid）模型，該模型非常適合解決需要捕捉相的界面的問題，該模型是在原有的N-S 方程組的基礎上添加了第二相流體的體積分數α，即通過判斷α與0 與1 之間的大小來判定第二相流體的容積。當期值為0 時，表示此區域內并無第二相流體；當期值為1 時，表示此區域內全是第二相流體，否則則是2 種流體的混合物。所得修正后的N-S 方程組如下。

連續方程為：

動量方程為：

能量方程為：

湍流模型則采用k-e 標準壁面模型，k-e 模型由于它在計算過程中收斂性和計算精度都比較符合工程要求，故其計算量與精度都比較符合大多數情況的要求。該模型相對于其他LES（Large Eddy Simulation）模型具有計算資源占用量少、收斂迅速的特點，并且由于此次計算模型流速較低，湍流強度較小，故而k-e 模型的精度也符合要求。

2.4 設置求解控制思路

Fluent 允許計算時選擇不同的求解算法及離散格式。本次選用的是Simple 算法，即壓力耦合方程組半隱式方法進行求解，該方法是所有格式中使用最為廣泛的數值方法，幾乎可以計算任何流速下的流動[3]，求解思路流程如圖3 所示。

圖3 數值模擬設置求解思路流程圖

設置完成后進行計算，得到不同工況下水庫進出口處的流場結果。由于此次研究的重點在于不同底板高程對水流平穩特性的影響，而水流波動較大的地方主要存在于出水口處與進水口處[4-5]，故而截取了進出口的中軸面進行顯示。

2.5 數值模擬結果對比

不同工況下水庫進出口處的流場結果對比如表1所示。

表1 不同工況下水庫進出口處的流場結果對比

2.6 雙管出口段分析

雙管出口段共切分了2 個斷面，分別沿2 個出口洞中軸線進行切分，然后對切分出的面，再次切分water of volume fraction 為0.99～1 的區域。由表1 序號2 行可看出，2 個工況下，下庫進水口部分的水面高程基本相等，而在雙管出口附近水位明顯有差距。從176 m 工況至172 m 工況，靠近水流方向的右側水位依次升高，說明前池底程高為172 m 時，水流紊動較大，雙管出口流動不暢，導致右側雍水水位較高。不難看出，較長圓管入口處流動更加均勻，這是由于圓管長度較長，且流速較快，而圓管出口處面積相同，故而根據質量守恒，較長圓管出口處流速較大，流線更均勻順暢。由于此處更靠近出口處，該出口液體經過水庫之后更容易進入出口管道。

對比表1 中序號3 行和4 行的數據可以發現，Vof等于0.99 的水面在貼近雙管出口右側雍水位置依次升高。2 個工況的“主流”被第一個挑坎挑起，角度約為45°，調流后進入前池，主流在水流表面擴散。但172 m工況擴散效應更加明顯，說明前池底部“水墊層”消能作用在3 個工況中最好。從主流的流動情況可以看出，短圓管出口處的主流型面基本相似，主流上下2處回流區的大小及發展狀況在進入前池之前基本無變化，故而可以判斷造成不同工況下水面波動差異的主要原因是該出口的流動情況。從表1 中序號4 行也不難看出，經過第一個挑坎后，主流下側的回流區不太明顯，沒有形成較明顯的速度梯度，說們此處挑坎的作用僅為提前改變主流的流動方向。

對比表1 中序號5 行的數據也不難發現，主流下側的流動更接近于有速度邊界層的層流運動。在水面表層，176 m 工況下的水流流速比172 m 工況下高得多。考慮到水的不可壓縮性，造成這一現象的主要原因為此處水流的實際流通面積減小及此處的流動損失隨著池底程高的減小而增大。從流動結構上看，池底程高由176 m 降低到172 m 的過程中，流動結構由突縮結構變成了突擴結構。而流線圖中并無明顯渦結構，故此認為造成176 m 工況下水流流速較大的原因是水流的實際流通面積較小。

觀察表1 中序號6 行、7 行可知，主流經過挑坎之后不僅主流的方向被調整，且主流上下的回流區也較為明顯，并且主流的速度梯度較大。以176 m 程高為例，主流速度快速降低，直至與上下回流區速度一致。這說明此處的流動損失較大，上下渦流產生的損失也主要由此處引起。故而推斷出，不同程高表面的波動是由此處產生的不同發展狀態的渦流導致的。

從速度云圖上看，176 m 程高主流上側低速區雖然連成一片，但僅有輕微的低速區分離現象；172 m 程高主流上側的低速區則基本無分離現象。從表1 中序號8行亦可以看出這一趨勢。造成這一現象的主要原因是主流在不同程高條件下，具有不同的速度梯度。

可以看出對于這一構型，下側低速區共存在2 處成型點，其一是挑坎，其二是進入前池處176 m 程高與172 m 程高的2 處低速區基本相連。導致下側低速區對主流的影響最小，進而導致主流對上側低速區的影響最小。此外，造成172 m 程高水面波動較為平緩的另一個原因是該處水流進入前池前符合突擴結構的流動規律，這就使得由于該結構產生的低速區主要存在于突擴結構之后且對前部流動影響較小。另外，突擴結構的存在造成局部出現卷吸效果，使得主流更易流入前池，進而減少了此處流動受阻導致的回流效應，進一步減輕了對主流上側低速區的影響，使172 m 程高這一結構更易實現水面平穩。

綜上所述，確定底板程高時，應盡量使底板為突擴結構，而且流速較大的入口下游區域的設計尤為重要[6]。

2.7 工況分析及結構選擇

綜合上述分析發現，從水流流出下庫出水口到進入明渠這段區域內，采用挑坎結構并配合突擴結構能夠明顯降低水流的流動速度，這是由于突擴結構使得挑坎后主流下側的低速區更加均勻，并且突擴結構將該結構后面的低速區與主流下側的低速區基本分離開來，起到了解耦合的作用，導致172 m 工況下水流在流出下庫出水口到進入明渠這段區域內時流動最為平穩。

當2 個出水口初始入口面積不同時，出水口出口處流動情況主要取決于入口面積較大的出水口處的主流情況。而在水流進入下庫進水口處時，主流流速越低，越不易在拐角處產生漩渦結構，故而水流在下庫出水口到進入明渠這段區域內流動越平穩，在流入明渠后，平均速度越低，越不易在拐角處產生漩渦結構，更能保證水流在進入下庫進水口之前流動的平穩性。且在水流進入下庫進水口前，適當使用突縮結構，能夠有效地降低水流的速度。

為得到更好的水流流態，方便水流較為平順地進入下庫進水口，采用底板高程為172 m 較合適。然而從水流流出下庫出水口到進入明渠這段區域內的流動狀況可以看出，172 m 高程還不能完全使水流挑坎后的低速區與轉折處（即172 m 工況突擴結構處）的低速區完全分離，故而此處結構還有優化的空間。另外考慮到下庫進水口角度、布設方式，下庫進水口布設較合理[7]。

3 結束語

研究表明，采用挑坎結構，并在進入明渠前使用突擴結構能夠在很大程度上將2 處產生的低速區隔離開，并起到降低水面波動、減緩進入明渠時速度的作用。在水流進入進水口前，通過使用突縮結構構型能夠進一步降低水流進入進水口時的速度，使水流流動更加均勻緩慢。由此可得，明渠底板程高為172 m 時，能夠同時滿足兩點，水面波動情況以及進水口前流動情況都非常好，可滿足實際需求。在今后的設計優化中，也可以通過其他措施調整突擴結構尺寸，進一步改善水庫流動的宏觀表現。