带长连接管的调压室水力特性研究_李煜.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 3 2 2带长连接管的调压室水力特性研究李 煜,杨绍佳(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 3 1 1 1 2 2)摘要:某抽水蓄能电站下游调压室采用阻抗+上室式布置,尾水洞与连接管通过直角岔管和弯道连接,布置型式特殊,水流条件复杂。为研究其水力特性,建立了调压室底部连接管三维流场数学模型,研究了不同分流比、汇流比条件下水力特性的变化规律。结果表明,对于底部流动复杂的调压室阻力损失而言,三维数值模拟能取得较好的仿真效果,计算结果与理论分析结果吻合良好。由于调压室底部弯管、连接管与大井之间的突扩、突缩等均会引起额外的水力损失,其水头损失系数大于常规阻抗调压室,流量系数较单独的阻抗孔更小。关键词:调压室;长连接管;三维流场数值模拟;水头损失系数中图分类号:TV 6 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 8 9-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 7,修回日期:2 0 2 2-0 8-0 1基金项目:浙江省自然科学基金项目(L Q 2 3 E 0 9 0 0 0 2)作者简介:李煜(1 9 8 3-),男,工程师,研究方向为水力学,E-m a i l:l i_y 2h d e c.c o m1 概况某抽水蓄能电站尾水洞内径为6.2 m。尾水调压室设置在尾水岔管下游2 0.0 m处,采用阻抗+上室式,调压室大井直径为1 3.0 m,长度为7 6.0 m;阻抗孔直径为5.0 m。尾水洞与连接管通过直角岔管和弯道连接,岔管支臂中心高程低于尾水洞中心高程0.6 m,弯道内径为5.0 m,中心转弯半径为5.0 m。连接管长度约6 6.0 m。其布置见图1。该工程尾水调压室阻抗孔/尾水隧洞面积比约为6 4%,大于常规阻抗式调压室,水力特性可能与常规阻抗式调压室存在一定差异。选取此工程进行三维流场数值模拟,分析调压室进/出流水力特性具有重要工程实际意义。因此,本文通过建立调压室底部连续管三维流场大井连接管连接管支管岔管隧洞主管隧洞图1 某抽水蓄能电站下游调压室布置图F i g.1 L a y o u t o f d o w n s t r e a m s u r g e c h a m b e r o f a p u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n数学模型,分析不同分流比、汇流比条件下水力特性的变化规律,以期为工程实践提供指导。2 数学模型描述任意流体流动的连续方程和动量方程称为N a v i e r-S t o k e s方程1,2。本文研究的调压室底部水头损失系数并不需要考虑流体弹性及非恒定边界条件下水体惯性的影响。因此,略去连续方程和动量方程中的密度散度和变量随时间的变化项,并引入斯托克斯应力变形关系可得:ux+vy+wz=0(1)uux+vuy+wuz=-1px+2ux2+2uy2+2uz2()(2)uvx+vvy+wvz=-1py+2vx2+2vy2+2vz2()+g(3)uwx+vwy+wwz=-1pz+2wx2+2wy2+2wz2()(4)式中,u、v、w分别为流体质点速度沿x、y、z方向的分量;为水密度;p为压力;为水的动力粘度;g为重力加速度。湍流可视为时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加运动,且任意变量的时均值可由雷诺平均法表示。细微的密度变化对流动的影响并不明显,因此可忽略密度脉动。以V表示速度矢量,将式(3)、(4)整体时均化,代入变量时均化关系后通过雷诺平均法则,并采用简写形式可得:d i v?V=0(5)?Vd i v?u=-1?px+d i v(g r a d?u)+-u u()x+(-u v)y+-u w()z(6)?Vd i v?v=-1?py+d i v(g r a d?v)+-v u()x+-v v()y+-v w()z+g(7)?Vd i v?w=-1?pz+d i v(g r a d?w)+-w u()x+-w v()y+-w w()z(8)式中,?V为时均速度;?u、?v、?w分别为流体质点时均速度沿x、y、z方向的分量;?p为作用于流体微元上的压强时均值;?u、?v、?w 分别为流体质点脉动速度沿x、y、z方向的分量。其他变量的处理方式类似。式(8)中的雷诺应力项为新的未知量,为使方程组封闭,必须对雷诺应力加以处理,建立湍流脉动值和时均值之间的联系,采用涡粘模型求解封闭整个方程组3-5。该模型不直接处理雷诺应力项,而是引入湍动粘度形式建立湍流脉动值和时均值之间的关系,即:-u u+u v+u w()=t?ux+?ux+?uy+?vx+?uz+?wx()-23k(9)-v u+v v+v w()=t?vx+?uy+?vy+?vx+?vz+?wy()-23k(1 0)-w u+w v+w w()=t?wx+?uz+?wy+?vz+?wz+?wz()-23k(1 1)其中k=12u u+v v+w w()(1 2)式中,t为湍动粘度;k为湍动动能。引入涡粘假定后,湍动粘度仍将导致方程组无法封闭,现今较为流行的做法是引入参数湍动耗散率,并建立其与湍动动能的输运方程及湍动粘度与它们之间的联系。湍动耗散率定义为:=u ixku jxk(1 3)式中,u i、u j分别为脉动速度沿x、y方向上的分量。湍动粘度和湍动动能及湍动耗散率之间的关系定义为:t=C2/(1 4)式中,C为经验常数。另外,将湍动动能及湍动耗散率带入变量输运方程可得:?ux+?vy+?wz=+t()2x2+2y2+2z2()+1G-(1 5)?ux+?vy+?wz=+t()2x2+(2y2+2z2)+C1S-C22+(1 6)式中,G为由时均速度梯度引起的湍动能的产生项;C1、C2均为系数;S为源项。另外,式(6)减去式(8)可得脉动场的动量方程,该方程经变换整理后可得不可压缩湍流的雷诺应力输运方程,简单起见,该方程张量中的指标符号表示为:uku iu jxk=Di j+i j-i j+Pi j(1 7)式中,Di j为湍流扩散项;i j为雷诺应力对时均流场所作的变形功;i j为湍流脉动压强与脉动变形率的关联关系;Pi j为湍流耗散项。式(5)(1 7)共有1 3个方程,其中所含未知量为?u、?v、?w、?p、-u u、-u v、-u w、-v v、-u w、-w w、k、t共1 3个,说明方程组封闭,可通过数值方法求解。3 水力特性分析研究带长连接管的调压室水力特性,应分析基于流速分布、压力分布、水头损失等水力特性的不同运行工况时所带来的相关参数的变化。以进出调压室的流量与隧洞总流量之比作为分流和汇流比。3.1 流速分布水流以0、0.2 5、0.5、0.7 5、1五种分流比进入调压室时,调压室底部流速分布典型情况见图2。正常发电工况或抽水工况(分流比为0),调压室底部隧洞水流平顺,基本为均匀管流,在隧洞09水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年 第4 1卷第5期李 煜等:带长连接管的调压室水力特性研究流速/(m.s)-1流速/(m.s)-1(a)正常运行工况隧洞及岔管水流流线(b)水流全部流入调压室时隧洞及岔管水流流线(c)水流全部流入调压室时连接管与大井水流流线流速/(m.s)-100 3.0 6.0 9.1 2.1 5.1 9.2 2.00 7.1.3 2.0 2.3 3.3 3.9 4.600 7.1.32.02.33.33.94.6图2 水流流入时调压室底部流速分布典型情况F i g.2 T y p i c a l w o r k i n g c o n d i t i o n s o f v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n a t t h e b o t t o m o f s u r g e c h a m b e t w h e n w a t e r f l o w s i n 水流剪切作用下,岔管支管内形成微弱的立轴回流,这也是次运行条件下调压室底部水头损失的主要诱因。隧洞内部分(或全部)水流进入调压室时,水流先在平面上9 0 偏转进入岔管支管,主流集中于支管迎水面一侧,背水面侧形成回流。支管水流经弯道进入连接管,背水面上发生边界层分离,形成回流。水流自连接管进入大井后,发生扩散,并逐步区域均匀,大井内水流稳定。且随着分流比增大,支管内剪切回流强度和范围逐渐增加,下游隧洞内水流流动逐渐减弱。水流以0、0.2 5、0.5、0.7 5、1五种汇流比流出调压室时,调压室底部流速分布典型情况见图3。流速/(m.s)-1流速/(m.s)-1(a)水流全部流出调压室时底部隧洞及岔管水流流线(b)水流全部流出调压室时连接管与大井水流流线00 7.1.3 2.0 2.3 3.3 3.9 4.600 7.1.32.02.33.33.94.6图3 水流流出时调压室底部流速分布典型情况F i g.3 T y p i c a l c o n d i t i o n s o f v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n a t t h e b o t t o m o f s u r g e c h a m b e r w h e n w a t e r f l o w s o u t大井内水流先收缩进入连接管,大井底部周边形成对称回流区,水流整体平顺。水流自连接管流过弯道时,主流集中于岔管支管底部,并在顶部形成弱回流。支管水流经9 0 转弯进入隧洞后,主流偏向于迎水面,在隧洞背水面区域再次产生回流,其后隧洞水流趋于均匀。且随着分流比增大,支管内剪切回流强度和范围逐渐增加,下游隧洞内水流流动逐渐减弱。3.2 压力分布水流以0、0.2 5、0.5、0.7 5、1五种分流比流入调压室时,调压室底部压力分布典型情况见图4。正常发电工况或抽水工况(分流比为0),调压室底部隧洞压力变化均匀,无压力突变区域,流态良好。当水流部分(或全部)流入调压室时,管道回流区内压力较主流区略低,但整个管路系统压力分布均匀。压力/Pa压力/Pa压力/Pa(a)正常发电工况调压室底部隧洞压力云图(b)1)水流全部流入调压室时底部隧洞及岔管压力云图 分流比1 500.02 384.83 269.74 154.55 039.35 924.16 809.07 693.88 578.69 463.410 348.311 233.112 117.913 002.813 887.615 000.015 041.415 082.815 124.115 165.515 206.915 248.315 289.715 331.015 372.415 413.815 455.215 496.615 537.915 579.3-409.2643.61 696.42 749.33 802.14 855.05 907.86 960.68 013.59 066.310 119.111 172.012 224.813 277.614 330.5图4 水流流入时调压室底部压力分布典型情况F i g.4 T y p i c a l c o n d i t i o n s o f p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n a t t h e b o t t o m o f s u r g e c h a m b e r w h e n w a t e r f l o w s i n水流以0、0.2 5、0.5、0.7 5、1五种汇流比流出调压室时,调压室底部压力分布典型情况见图5。当水流部分(或全部)由调压室汇入时,支管、连接管及大井内各回流区压力较主流区更低。水流部分由调压室汇入时,连接管、大井内及岔管内压力分布较全部由调压室汇入时更为均匀,隧洞内水流流动则较全部由调压室汇入时更为紊乱,回流区较长,压力梯度较为明显。压力/Pa压力/Pa(a)水流全部三调压室汇入时底部隧洞及岔管压力云图(b)水流全部三调压室汇入时连接管与大井内压力云图13 00013 41413 82814 24114 65515 06915 48315 89716 31016 72417 13817 55217 96618 37918 79310 000.011 034.512 069.013 103.414 137.915 172.416 206.917 241.418 275.919 310.320 344.821 379.322 413.823 448.324 482.8图5 水流流出时调压室底部压力分布典型情况F i g.5 T y p i c a l c o n d i t i o n s o f p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n a t t h e b o t t o m o f s u r g e c h a m b e r w h e n w a t e r f l o w s o u t3.3 水头损失通过三维流场数值模拟确定不同分流、汇流比条件下调压室底部水头损失系数,水头损失与分流比和汇流比的关系见图6。正常发电和抽水运行时,调压室底部水头损失系数为0.0 9 7,与规范参考值(0.1)6基本一致。因此,某抽水蓄能电站正常发电和抽水运行条件下尾水调压室底部水头损失系数可取为0.1。随着分流比增加,调压室底部水头损失系数也逐渐增大。随着汇流比增加,调压室底部水头损失系数也逐渐增大。对于调压室底部复杂流动的阻力损失而言,三维数值190.01.53.04.56.07.59.00.20.40.60.81.0分流比理论分析岔管两侧三维模拟岔管两侧理论分析隧洞和调压室之间三维模拟隧洞和调压室之间0.01.53.04.56.07.59.0理论分析岔管两侧三维模拟岔管两侧理论分析隧洞和调压室之间三维模拟隧洞和调压室之间水头损失系数 水头损失系数 0.20.40.60.81.0汇流比(a)分流时(b)汇流时图6 分、汇流时调压室底部水头损失与汇流比的关系F i g.6 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n h e a d l o s s a t t h e b o t t o m o f s u r g e c h a m b e r a n d c o n f l u e n c e r a t i o d u r i n g d i v e r s i o n a n d c o n f l u e n c e模拟能取得较好的仿真效果,计算结果与理论分析值吻合良好。因此,本文采用的计算方法亦可在类似工程中使用,为复杂连接管布置型式下的抽水蓄能电站运行安全提供技术支撑。4 结论a.正常运行时,调压室底部水流平顺。水流流入调压室时,主流集中于迎水面,在背水面形成回流,回流尺度和强度与入流量有关。相对而言,水流流出调压室时更加平稳。b.水流进出调压室过程中,管道回流区内压力较主流区略低,但整个管路系统压力分布均匀。c.随着分流比或汇流比增加,调压室底部水头损失系数也逐渐增大。参考文献:1 刘畅,程永光.长连接管和分流调压室的波动稳定和衰减特性J.水电能源科学,2 0 1 2,3 0(2):1 3 1-1 3 5.2 蔡付林,胡明,曹青.有长连接管的阻抗式调压室阻抗损失系数研究J.水电能源科学,2 0 0 1,1 9(4):4 0-4 3.3 吕天舒,黄社华.不可压缩流体后台阶紊流特性的计算与分析J.水电能源科学,2 0 2 1,3 9(1 2):1 2 9-1 3 2,1 4 0.4 李松阳,尹亚敏,彭尔瑞.河道水流三维数值模拟研究与发展J.农业工程,2 0 2 0,1 0(5):7 0-7 5.5 陆伟刚,王东伟,徐磊,等.湍流模型在肘形进水流道三维流场数值模拟中的适用性研究J.水电能源科学,2 0 1 8,3 6(9):1 1 0-1 1 3.6 国家能源局.水电站调压室设计规范:N B/T 3 5 0 2 1-2 0 1 4S.北京:新华出版社,2 0 1 4.R e s e a r c h o n H y d r a u l i c C h a r a c t e r i s t i c s o f S u r g e w i t h L o n g C o n n e c t i n g P i p eL I Y u,YANG S h a o-j i a(P o w e r C h i n a H u a d o n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d,H a n g z h o u 3 1 1 1 2 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h e d o w n s t r e a m s u r g e c h a m b e r o f a c e r t a i n p u m p e d s t o r a g e p o w e r s t a t i o n a d o p t s i m p e d a n c e w i t h u p p e r c h a m b e r l a y o u t.T h e t a i l r a c e t u n n e l i s c o n n e c t e d w i t h t h e c o n n e c t i n g p i p e t h r o u g h r i g h t a n g l e b i f u r c a t e d p i p e a n d b e n d.T h e l a y o u t t y p e i s s p e c i a l a n d t h e w a t e r f l o w c o n d i t i o n s a r e c o m p l e x.I n o r d e r t o s t u d y i t s h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s,a t h r e e-d i m e n s i o n a l f l o w f i e l d m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e c o n n e c t i n g p i p e a t t h e b o t t o m o f t h e s u r g e c h a m b e r w a s e s t a b-l i s h e d,a n d t h e v a r i a t i o n l a w o f h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s u n d e r d i f f e r e n t d i v e r s i o n r a t i o a n d c o n f l u e n c e r a t i o w a s s t u d i e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t f o r t h e r e s i s t a n c e l o s s o f s u r g e c h a m b e r w i t h c o m p l e x b o t t o m f l o w,t h e t h r e e-d i m e n s i o n a l n u m e r i-c a l s i m u l a t i o n c a n a c h i e v e b e t t e r s i m u l a t i o n e f f e c t,a n d t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e t h e o r e t i c a l a-n a l y s i s r e s u l t s.B e c a u s e t h e e l b o w a t t h e b o t t o m o f t h e s u r g e c h a m b e r,t h e s u d d e n e x p a n s i o n a n d c o n t r a c t i o n b e t w e e n t h e c o n n e c t i n g p i p e a n d t h e b i g w e l l w i l l c a u s e a d d i t i o n a l h y d r a u l i c l o s s e s,i t s h e a d l o s s c o e f f i c i e n t i s g r e a t e r t h a n t h a t o f t h e c o n v e n t i o n a l i m p e d a n c e s u r g e c h a m b e r,a n d t h e f l o w c o e f f i c i e n t i s s m a l l e r t h a n t h a t o f t h e s e p a r a t e i m p e d a n c e h o l e.K e y w o r d s:s u r g e;l o n g c o n n e c t i n g p i p e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f t h r e e-d i m e n s i o n a l f l o w f i e l d;h e a d l o s s c o e f f i c i e n t(上接第1 0 4页)S t u d y o n M e c h a n i s m o f E n e r g y D i s s i p a t i o n a n d E r o s i o n I m p r o v e m e n t o f D i v e r s i o n T u n n e l O u t l e t A r e a b y S m a l l F l i p B u c k e tZ HAO Y u-d o n g1,L I U J i n2,L I D o n g-j i e3,MA X u-d o n g1(1.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r a u l i c s a n d M o u n t a i n R i v e r E n g i n e e r i n g,S i c h u a n U n i v e r s i t y,C h e n g d u 6 1 0 0 6 5,C h i n a;2.P o w e r C h i n a Z h o n g n a n E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d,C h a n g s h a 4 1 0 0 1 9,C h i n a;3.P o w e r C h i n a H u a d o n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d,H a n g z h o u 3 1 1 1 2 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h e o u t l e t a r e a o f r i v e r d i v e r s i o n t u n n e l i n m o u n t a i n o u s a r e a s i s c h a r a c t e r i z e d b y l a r g e d i s c h a r g e p e r u n i t w i d t h,h i g h f l o w v e l o c i t y,d e e p r i v e r b e d o v e r b u r d e n a n d l o w a n t i-s c o u r f l o w v e l o c i t y.T h e r i v e r b e d a t t h e o u t l e t o f t h e t u n n e l i s s e v e r e l y s c o u r e d,a n d i t i s d i f f i c u l t t o a r r a n g e l a r g e e n e r g y d i s s i p a t i o n m e a s u r e s,s o i t i s p r o p o s e d t o a r r a n g e s m a l l f l i p b u c k e t a t t h e o u t l e t o f t h e t u n n e l.O n t h e b a s i s o f t h e p h y s i c a l m o d e l t e s t t o o b s e r v e t h e f l o w p a t t e r n a n d r i v e r b e d s c o u r i n g i n t h e o u t l e t a r e a o f t h e t u n n e l,t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e f l o w f i e l d i n t h e o u t-l e t a r e a o f t h e d i v e r s i o n t u n n e l,a n d t h e i n t e r n a l m e c h a n i s m o f t h e i m p r o v e m e n t o f r i v e r b e d s c o u r i n g i s s t u d i e d.T h e r e-s u l t s s h o w t h a t a f t e r a d d i n g a s m a l l f l i p b u c k e t a t t h e o u t l e t o f t h e d i v e r s i o n t u n n e l c a n i n c r e a s e t h e l a t e r a l d i f f u s i o n o f t h e h i g h-s p e e d f l o w o u t o f t h e t u n n e l,r e d u c e t h e u n i t w i d t h d i s c h a r g e,i n c r e a s e t h e l o c a l e n e r g y d i s s i p a t i o n r a t e,a n d t h u s r e-d u c e t h e v e l o c i t y o f t h e r i v e r b a n k.T h e p r o p o r t i o n o f w a t e r b o d y c o m i n g o u t o f t h e t u n n e l w i t h h i g h f l o w v e l o c i t y i s o b v i-o u s l y r e d u c e d,w h i c h m a k e s t h e h i g h-s p e e d w a t e r f l o w u n a b l e t o d i r e c t l y r u s h t h e l a n d s l i d e m a s s o n t h e r i g h t b a n k,a n d r e d u c e s t h e f l o w v e l o c i t y w i t h i n t h e l a n d s l i d e m a s s.T h e w i d t h o f w a t e r f l o w o u t o f t h e t u n n e l i n c r e a s e s,a n d t h e d i r e c t i o n o f w a t e r f l o w o u t o f t h e t u n n e l b e c o m e s i n c l i n e d u p w a r d,w h i c h w e a k e n s t h e i m p a c t o n t h e l a n d s l i d e o n t h e r i g h t b a n k,a n d s i g n i f i c a n t l y w e a k e n s t h e s c o u r i n g o f t h e o u t l e t a r e a o f t h e d i v e r s i o n t u n n e l a n d t h e d o w n s t r e a m r i v e r c h a n n e l.T h i s s t u d y c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r e n g i n e e r i n g p r a c t i c e.K e y w o r d s:m o d e l t e s t;d i v e r s i o n t u n n e l;f l i p b u c k e t;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n29水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年