水力特征

介绍

随着我国国民经济的飞速发展, 全国各地电网容量不断增大, 电网的用电不均匀性问题不断突出, 解决电网的调峰容量已成为当前电力生产中的紧迫问题之一, 开发大型抽水蓄能电站是缓解这一问题的途径之一.抽水蓄能电站进水口和出水口合一,简称进/出水口.上库的进/出水口在发电时为进水口, 在抽水时为出水口;下库的进/出水口在发电时为出水口, 在抽水时为进水口.根据其进/出水口的形式, 可分为侧式与竖井式两种.竖井式根据其结构又可分为开敞式与盖板式两大类.我国一般采用侧式进/ 出水口,盖板竖井式进/出水口较少, 因此很多工程技术人员对盖板竖井式进/出水口水力特性不熟悉, 并且可供参考的工程实例也少,建成的仅有西龙池.现有的相关论文或针对发电工况, 或针对抽水工况进行研究, 对试验的尺寸和方法进行描述,或给出水头损失或者流态是否好的结论,等等,而缺乏对此类水利工程结构的水流流态进行系统地分析与整理.本研究结合无锡马山抽水蓄能电站上库进/出水口的体形优化项目,对盖板竖井式进/出水口水力特征进行初步研究.由于每个工程的运行设计参数均有一定的差异,特定的试验和计算结果只对特定的工程项目有意义, 因此, 笔者仅针对进/出水口的水力共性特征进行研究.

研究方法

对进/出水口水力特性的分析方法有两种:一种是模型试验, 另一种是数值模拟.在本次研究过程中,结合模型试验与数值模拟,对竖井式进/出水口的水力特征进行分析,其具体分析方法如下:

(1)三维模型试验.本研究中, 以马山抽水蓄能电站上库的盖板竖井式进/出水口为基础进行试验. 模型按重力相似准则(佛汝德准则)进行设计, 采用正态模型.在漩涡和水流环流的试验中, 原型的雷诺数Re和韦伯数We都很大;在模型试验中,因粘性力和表面张力对水流漩涡和环流的作用相对较大, 不能忽略其影响.为了尽量减小粘性力和表面张力的影响,必须提高模型雷诺数Re和韦伯数We.模型试验中常用的方法是加大模型流量至2.0 ～3.0倍设计流量,以提高模型雷诺数Re和韦伯数We, 便于观察漩涡运动.

(2)二元切片水流模型试验.三维的水力物理模型试验在可视性方面存在不足, 为了弥补这方面的缺陷, 可补充二元切片水流模型试验.可以比较直观地了解进/出水口的流态特征, 以便优化进/出水口体型并判别优化后的效果, 为进一步的物理模型试验和数值计算提供依据.二元切片水流模型按重力相似准则设计,可以选取较大的模型比尺 .马山切片模型试验与试验略有区别,为了模拟轴对称水流扩散的特征,在平面的垂直面钻孔,同时控制两端出流,强迫水流通过垂直面的小孔扩散.流量按重量法标定, 误差在8%以内.在水泵吸入口掺气, 以观察流动状态.二元切片水流的不足较多, 因此主要用于观察抽水工况下的主流方向,进行定性描述.

(3)数值模拟.据文献[ 4]的介绍, 西龙池竖井三维模型,网格数达到8×10个以上.如果模型稍微复杂一点,例如增加防涡梁等细部结构,网格数将增加较多.个人机上能够承受的三维模型规模在(2～3)×10个网格, 而10个网格以上的模型需要在并行机上运行,模型调试及计算周期也较长.

缺乏足够的资料证明三维模型精度可替代物理模型,笔者也尚未看到有关三维模型成功地模拟出水流中的漩涡现象的报道.通过数值模拟与模型试验比较,笔者发现轴对称模型的结果能够初步反映竖井式进/出水口水流的一些主要特征, 模型的网格数可以控制在10个以下.无论是建模的难度和计算效率, 三维模型远高于二维模型.虽然二维轴对称多模型描述比三维模型要粗糙,但是,综合效率、精度等方面因素,建议采用二维轴对称RNGk-ε模型对抽水工况下的水流进行数值模拟,而在时间和经费许可的情况下进行三维模拟.

特征分析

2.1 主要体形

主要集中在底板形态上,以控制出口的反向流速区为重要目标, 做了大量的试验与数值仿真.对双向水流进行了模型试,也取得了一定的成果.本研究重点介绍上部结构,其主要的形式有无防涡梁、水平防涡梁、阶梯防涡梁以及防涡板等4 种结构.

2.2 抽水工况下水流的几个基本特征

(1)抽水工况下, 水流出流转弯后,一般情况下有明显的主流区, 非常类似射流.针对水平防涡梁进/出水口进行了抽水工况的模型试验和轴对称数值模拟.底板到防涡梁高度为5m时,水平防涡梁结构的试验与数值仿真结果(计算过程中采用的轴对称平面模型, 并没有考虑导流墩挤占的空间;修正流速为计算后流速乘以断面面积比).L为离底板距离, h为水深.由试验和计算结果可见,一般情况下,在底板附件处有明显的回流区, 主流区与回流区的流速梯度较大, 主流区流速分布呈楔形, 且有比较明显的核心区.三维仿真结果和本研究的二维轴对称数值仿真结果,都可以观察到明显的主流区.本研究中的入口平均流速更大, 为4.02m/s, 主流区更明显.

采用轴对称的水力模拟,按照防涡梁不直接接触主流的原则, 调整防涡梁高度,再按照调整的水力数值优化结果进行切片试验与模型试验.切片试验显示, 示踪气泡不再通过防涡梁间隙上升, 死水位时,模型试验显示出流会形成面流, 但不会出现涌浪现象, 水面比较平稳.笔者初步认为, 采用阶梯防涡梁破坏了出流过程中形成的大尺度涡,从而抑制了可能出现的涌浪. 试验结果表明, 沿着主流方向采用阶梯防涡梁结构进行水流约束, 对维持水流稳定是有利的;以主流不直接碰撞到防涡梁为原则是合理的, 根据轴对称数值模拟确定的防涡梁高度布置可作为设计参考.

针对4种不同工程结构的水力试验发现,无防涡梁结构的水头损失最小, 而采用防涡板结构是最不利的.所采用的防涡板结构, 将强制压缩水流向水平四周扩散;而采用的其他几种方法,相当于有一定的松弛,逐步调整水流方向,因此能量的损失也相对要小.模型试验中,各种体形的水头损失系数进/出水口水头损失计量以在管道扩散端起始断面和水库较远处为参考.

(2)竖管扩散段扩散角度宜控制在9°以内. 一般情况下,竖井式进/出水口附近可采用扩散管增加过流断面面积,降低流速.一些工程技术人员为了缩短扩散段的长度,而增加扩散段角度.这种方法是不可取的.在竖井出口处,往往存在弯管段, 通常认为要通过10 ～20倍管径距离后才能基本达到均匀.但是在实际情况下,二次流出现的距离远远大于这个数值.当竖井扩散段扩散角过大,水流出现分离后,极易出现偏流现象,其引起的局部流速增加所带来的副作用远远超过扩大过流断面以降低流速的作用.在马山模型试验与文献[ 1]中, 所选择的扩散角均小于9°,其配水效果均较好.部分结构设计人员对流体的这种非显性特性不了解,片面考虑结构经济性,往往加大扩散角, 缩短扩散段长度, 这是极为危险的.

结论

(1)数值模拟和模型试验都是水力研究的重要工具.笔者认为,从精度和效率来讲,采用二维轴对称数值模型进行数值模拟,可为竖井式进/出水口设计初步定型提供比较好的参考;在数值试验的基础上再进行模型试验,有利于提高效率.