输水隧洞坡角对侧式进/出水口水力特性影响研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口具有双向过流的特点,进/出水口自身体型参数对其水力特性具有很大的影响,但连接的输水隧洞布置型式也同样会影响进/出水口水力特性,若输水隧洞布置不恰当,将可能导致进/出水口出现不利的水力特性。利用RSM紊流模型,以某侧式进/出水口为研究对象,在进/出水口体型不变的前提下,研究出流工况不同隧洞坡角对进/出水口内部流态、拦污栅断面流速不均匀系数、水头损失系数及流量分配等水力特性的影响。结果表明,当隧洞坡角等于扩散段垂向扩散角时,进/出水口内部流态较好,反向流速区的沿程范围、拦污栅断面流速不均匀系数及水头损失系数均最小。因此,当进/出水口扩散段垂向扩散角不大且各隧洞坡角均满足地形、地质条件的情况下,隧洞坡角等于扩散段垂向扩散角时,可获得较优的水力特性。     

抽水蓄能电站进/出水口体型优化数值模拟

利用三维紊流数学模型,对某抽水蓄能电站上水库进/出水口原方案及其优化方案抽水和发电工况进行数值模拟,分析了进/出水口段的水头损失、进/出水口段的流态和流速分布等。原方案在抽水工况下,存在扩散段及调整段顶盖板下部产生水流分离区、拦污栅断面有反向流速、各孔口流速不均匀系数偏大等不利水力学现象。考虑以上不利因素,需对原方案进行优化。优化方案计算结果表明,在扩散段和防涡梁段之间增加调整段、压低扩散段盖板扩散角以及增加扩散段长度等措施均能改善水流流态。     

侧式进/出水口顶板扩张角对拦污栅断面流速分布影响规律研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口双向过流,其顶板扩张角的大小将直接影响拦污栅断面流速分布是否均匀,甚至出现反向流速。抽水蓄能电站设计规范将3°~5°作为侧式进/出水口顶板扩张角的推荐范围,其依据是矩形渐扩管阻力系数最小的扩张角度,但侧式进/出水口体型较之复杂很多,因此有必要进一步探讨。本文以某侧式进/出水口体型为研究对象,采用数值模拟方法,研究了11种角度的顶板扩张角对出流工况和进流工况拦污栅断面流速分布的影响。结果表明：在出流工况下,随着顶板扩张角的增大,中孔拦污栅断面的主流位置由居中部逐渐向底部降低,断面流速分布由上下基本对称趋于底部大上部小的上下不对称,当顶板扩张角较大时中孔拦污栅断面上部出现反向流速;随着顶板扩张角的增大,边孔拦污栅断面流速分布由基本均匀逐渐变为底部大上部小的不均匀分布;随着顶板扩张角的增大,中、边孔孔口流速不均匀系数均逐渐增大,但中孔拦污栅断面流速分布受顶板扩张角影响更大。在进流工况下,随着顶板扩张角的增大,中、边孔拦污栅断面流速分布及孔口流速不均匀系数均无明显影响。研究成果可为优化侧式进/出水口设计提供指导。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口隔墩布置对水力特性的影响

运用标准k-ε湍流模型和VOF两相流模型,对抽水蓄能电站侧式进/出水口、输水管道和部分上库进行了数值计算,分析了死水位条件下抽水和发电工况的进/出水口隔墩位置对进/出水口流速分布、流道分流系数、水头损失、墩头附近流速分布等水力特性的影响。结果表明:中隔墩后移对发电工况下各流道流速分布、分流系数、进/出口的水头损失几乎无影响;中隔墩后移可改善抽水工况下中隔墩两侧流道的过流流速均匀性和各流道流量分配的均匀性,降低进/出水口的水头损失,但中隔墩后移距离超过进/出水口扩散段起始断面宽度的0.3倍时,改善效果不明显;中隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.44～0.52倍,边隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.1倍,可实现墩头附近局部流速的相对均匀化;中隔墩后移扩散段起始断面宽度的0.5倍,边隔墩后移扩散段起始断面宽度的0.1倍,可实现抽水蓄能电站进/出水口水力特性的最优化目标。     

不同湍流模型的电站进/出水口数值模拟

为验证不同湍流模型对抽水蓄能电站侧式进出水口模拟的适应性,分别运用Realizable k-ε湍流模型及RNG k-ε湍流模型对某抽水蓄能电站下库侧式进/出水口水力特性进行三维数值模拟,得到了进/出水口和闸门井段、下弯段的水头损失系数及进/出水口各流道的流速分布图。与物理模型试验数据进行比较表明,这两种数值模型均可达到一定的精度,且都方便快捷,与RNG k-ε模型的模拟结果相比,Realizable k-ε湍流模型具有更高的精度。     

抽水蓄能电站进出水口水力性能优化

在工程设计人员对抽水蓄能进出水口初步开展体型设计时,常需考虑如何在满足规范取值范围内尽可能地优化体型,以期得到较好的水力性能。据此,采用三维数值模拟方法对某抽水蓄能电站进出水口的水力性能进行优化设计,通过模拟进出水口的双向流动,利用k-e模型减小松弛系数迭代得到流场,并从流速分布、流量分配、水头损失等方面进行考量,计算并对比分析进出水口的流速不均匀系数、孔口流量分配系数、水头损失系数,最终得到水力性能较优体型,为类似优化设计问题提供参考。     

侧式进/出水口扩散出流紊动强度变化规律研究

为探求侧式进/出水口紊动强度变化规律,构建了RSM紊流模型用于侧式进/出水口流向、横向及垂向三方向上紊动强度研究,分析了进/出水口三方向上紊动强度分布沿程变化,重点关注了拦污栅处紊动强度变化规律。研究发现边、中孔三向紊动强度各断面轮廓基本一致,横向与垂向的紊动强度均小于流向紊动强度。在沿程分布规律上,壁面附近紊动强度在扩散段有减小的趋势,孔口中间紊动强度逐渐增大,水流经过扩散段以后有回转趋势。水头损失与紊动强度呈正相关,紊动产生的水头损失先增大后减小,壁面产生的水头损失与断面平均流速呈正相关。在此基础上,探讨了孔口高度、隧洞坡角、雷诺数对进/出水口三向紊动强度的影响。结果表明,雷诺数、孔口高度、隧洞坡角基本不影响紊动强度场的断面分布及沿程变化规律,但会影响拦污栅断面处三向最大紊动强度值及其所在位置。     

竖井式进/出水口布置形式对水流特性的影响

抽水蓄能电站竖井式进/出水口总体布置及边界复杂,水流条件易受体型轮廓影响。为研究进/出水口布置形式对水流的影响,在计算方法得到试验验证的基础上,采用基于VOF两相流的RNG k-ε湍流模型对工程中常见的布置形式进行三维数值模拟,分析了扩散段形式和分流孔数对水头损失、流速分布及流态的影响。研究成果对竖井式进/出水口的水力设计具有重要参考价值。     

扩散段长度对侧式进/出水口水力特性的影响

以某上水库无调整段侧式进/出水口为研究对象,采用雷诺应力湍流模型探究了扩散段长度对进/出水口水力特性的影响规律,并从水力学的角度给出了扩散段长度建议值。结果表明：扩散段长度对侧式进/出水口水流运动存在显著影响,扩散段不宜过长或过短;对于进/出水口沿程流速分布,只有在抽水工况下扩散段长度才会对其产生影响,发电工况下基本不存在影响;对于水头损失、各孔口流量配比等其他水力指标,扩散段长度在双向过流时均会对其产生较大影响,随着扩散段长度的增加,各水力指标均先变好再变差;对于无调整段侧式进/出水口体型,当扩散段长度为隧洞直径的5.7～6.0倍时,各水力指标满足规范要求;当扩散段长度为隧洞直径的5.8倍时,进/出水口水力特性得到较大改善,且具有较好的水流流态。     

某抽水蓄能电站下库侧式进/出水口数值模拟

抽水蓄能电站进/出水口有进流和出流两种工况,进/出水口水流呈双向流动,水力条件较复杂,对水流流态要求较高。因此,为观测各工况水流流态和水头损失大小,进一步完善进/出水口的结构布置和尺寸,对下库进/出水口进行了数值模拟计算。根据隧洞中水流的运动为有压流这一特点,建立了隧洞压力驱动三维水动力模型,考虑了进/出水口上游一定长度隧洞在内的三维空间计算域,采用k-ε紊流模型,通过对隧洞内压力流的数值模拟,分析研究了各工况下流道分离比、流速、流态及水头损失等水力特性。研究表明:将中边孔导流隔墩尾部位置进行调整能有效改善中、边孔分流比,流速不均匀系数也有所改善,水头损失无明显变化。     

利用多岛遗传算法的侧式进/出水口体型优化研究

水工建筑物体型优化一般通过物理模型试验或数值模拟对设定体型进行水力特性研究,针对不利的水力指标调整体型再进行研究,直至获得满意的较优体型,这是传统的做法。双向水流条件下的侧式进/出水口体型优化可视为多目标优化问题。本文将加权后的水头损失系数定为目标函数,以孔口断面流速不均匀系数和孔口间流量不均匀系数为约束条件,将多目标优化转化为单目标优化,利用多岛遗传算法进行进/出水口体型优化,可以获得最优体型。此外,参数化建模方法和基于CFD的响应面模型的应用,加快了建模与数值模拟速度,提高了优化效率。以某下水库侧式进/出水口为例,按照本文方法得到的推荐体型与原体型相比,进/出流的总水头损失系数降低3.35%,出流时流速不均匀系数减小14.50%,进/出流的流量不均匀系数均小于20%。该研究方法为水工建筑物体型优化提供了便捷的途径。     

某抽水蓄能电站进出水口体型优化的数值模拟

进出水口是水电站引水建筑物的重要组成部分,其水力特性对于降低水头损失至关重要。以厦门某抽水蓄能电站为例,在下库进出水口分别采用3种不同的分流墩体型,对不同工况下进出水口的流场进行了数值模拟,并分析了进出水口的水头损失、流速分布、流量及流态等,在此基础上提出了体型优化方案,有效地改善了进出水口的流态、降低了水头损失,可供类似工程设计人员参考。     

抽水蓄能电站侧式进出水口水工模型试验研究

进/出水口具有双向特性,结构复杂,对实际运行安全和效率有重要影响。通过模型试验方法,研究某抽水蓄能电站侧式进/出水口的水力特性发现：不同等级流量测下水头损失系数基本相同,紊流阻力平方区处水头损失系数与雷诺数无关。进/出水口孔口前缘和拦污栅断面流速分布较均匀,各孔口左、中、右的流速分布基本相同。漩涡的形成与相对淹没深度s/d和佛汝德数F_r有关,进/出水口F_r<0.23,相对淹没深度s/d>0.5,无有害漩涡。图6幅,表7个。     

抽水蓄能电站进/出水口拦污栅数值模拟

利用κ-ε紊流数学模型对某抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进／出水口进行了数值模拟，针对有无拦污栅的情况，分析了拦污栅对进/出水口流速分布和水头损失等的影响．就整个进/出水口而言。不模拟拦污栅，其结果基本能反映进/出水口的水力学特性．     

海水泵站流道非对称引水流态特性数值模拟分析

为探讨海水泵站流道非对称引水流态特性,基于OpenFOAM建立了某液化天然气接收站海水泵站流道数值模型,在利用实测数据验证的基础上,模拟计算与分析了对称和非对称引水时,流道内流速与紊动动能分布特征。模拟结果表明:海水泵站非对称引水时,水流进入前池后流速较大,在低水位下水流无法充分扩散,在流道入口处形成偏流,行进至海水泵前断面水流分布已基本均匀;非对称引水时,海水泵所在进水池各断面均匀性指数平均值高于对称引水工况,且各海水泵进水池的紊动动能平均值也小于对称引水工况;从过水断面流速分布均匀性以及紊动量级来看,非对称引水对水泵运行更有利。     

黄河口泥沙异重流基本控制参数的数值试验

为了定量地评价泥沙异重流基本控制参数对泥沙异重流流动的影响 ,本文设计了一系列数值试验来展示各种参数与泥沙异重流流动特征之间的定量关系。采用ADI法求解三维方程经垂向积分后的平面二维泥沙异重流方程。所选取的基本控制参数包括水下斜坡坡角 ,总阻力系数 ,水力挟带系数 ,泥沙饱和浓度和泥沙沉速。通过数值试验得出水下斜坡坡角θ、泥沙饱和浓度Es 越大 ,总阻力系数cd、泥沙沉速ω越小 ,相应地泥沙异重流流速、流动厚度以及悬沙浓度越大。其中斜坡坡角对泥沙异重流影响最大。当泥沙异重流流动处于超临界流状态 ,水力挟带系数Ew 大于零 ,这时由于有一定水量的卷入 ,所以流动厚度沿程增加。     

抽水蓄能电站侧式进／出水口水力特性研究

本项研究根据对依托工程琅琊山抽水蓄能电站上、下库进／出水口在可研、初设及招标设计阶段的水工模型试验研究，对大流量侧式进／出水口的水力特性进行了系统的研究。给出了流速分布、水头损失、门井水位波幅等水力要素的分布特点及其相互关系。并据此给出了体型参数如门井段几何尺寸、扩散段长度、扩散角(立面及平面)大小、尾水隧洞与进／出水口的衔接方式、进／出水口与尾水明渠的衔接方式等的选择．从而为侧式进/出水口的体型规范化设计提出了建议。研究成果可供同类工程参考引用。     

抽水蓄能电站库盆流态混交模型模拟

以深圳抽水蓄能电站上库为例,根据物理模型提供的边界条件,建立了一种进出水口模型试验和直角二维数学模型的混交模型.采用发电工况试验数据对建立的混交模型进行验证,模拟了抽水工况和发电工况运行下死水位、1/2工作水位和正常蓄水位对应的库盆流态.模拟结果表明,在抽水工况运行下受地形影响,库盆和进出水口附近会产生环流区,两种工况下库盆水流流速与库水位成反比关系.该模型对同类抽水蓄能电站进出水口的设计与研究提供了参考.     

侧向引水及进水泵站进水流态CFD 模拟分析与优化

应用realizable k - e紊流模型与SIMPLEC算法,对某侧向引水及进水泵站进水侧水流流场进行数值模拟和流动分析,分析表明,该泵站的进水侧水流具有弯道水流特点,数值模拟结果与理论分析结论相吻合。根据该类泵站进水侧水流流场特点,提出采用导流栅作为水力优化途径,并以泵站进水断面处动量分布和进水池断面平均流速均匀度为评判依据,对不同的导流栅整流方案的水力优化效果进行数值模拟研究。成果表明,设置导流栅对泵站引水段的动量分布具有明显的调整作用,泵站进水断面的流速分布与引水段动量分配均匀度有关。适宜尺寸的导流栅可以有效减弱引水段的进水环流作用,使水流在转向后纵向流速较快地恢复正常分布,从而进一步提高泵站进水池流量分配的均匀度。     

大扩散角进水流道水力诊断及优化

为解决大型火电站循环泵顽固性振动,采用雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,对1 000 MW超超临界火电机组并联泵循环水流道与循环泵内水力状况进行FLUENT三维数值诊断性分析,模拟研究了进水流道内的流体流动形态、流速分布以及泵体周围和喇叭口周围流场的水力问题,并依此对循环水道进行了优化整流方案研究。研究结果表明,循环水流道前池过短且为不规范矩形,由引水段冲入的流体无法在前池内得到充分发展扩散,吸水室内水流流态严重偏流乃至贴壁流动,近壁流体流速差可达0.3 m/s;喇叭口处截面流速严重不对称,循环水泵周围流场紊乱,来流两侧水流流速差异过大,流速差最大可达0.5 m/s,进水条件恶劣。采取针对性优化整流方案后,进水流道内水流流态分布更加均匀,水泵进水条件得到显著改善。