拦污栅结构对进出水口水力特性影响试验研究

对于进出水口水力特性研究,尤其是物理模型试验,由于拦污栅栅条细、间隔近,模型模拟困难,因此一般不模拟拦污栅结构本身。为探究双向流动条件下拦污栅结构对进出水口水力特性的影响,本文建立了大尺度进出水口试验装置,开展模拟拦污栅结构（有栅）和不模拟拦污栅结构（无栅）的进出水口水力特性试验研究。结果表明：拦污栅结构使断面时均流速分布均匀化,出流工况有栅的流速不均匀系数比无栅的改善了7.1%,进流工况有栅的流速不均匀系数与无栅的基本相同;拦污栅结构对水流的扰动使流速脉动剧烈,紊动强度增大,出流工况和进流工况有栅的平均紊动强度比无栅的分别增大了49.0%和38.5%;拦污栅结构对进出水口流量分配基本无影响;拦污栅结构使进出水口水头损失有所增大,出流工况和进流工况有栅的进出水口水头损失系数比无栅的分别增大了6.3%和7.2%。有栅和无栅的进出水口水力指标,除紊动强度差别较大外,其余差别不大,因此研究进出水口水力特性时不模拟拦污栅结构的结果基本能反映进出水口的水力学特性。研究成果可为进出水口及拦污栅设计提供参考。     

侧式进/出水口水头损失系数多元线性回归分析

进/出水口水头损失是抽水蓄能电站输水系统水头损失的重要组成部分,准确计算水头损失是评估电站运行经济效益的重要需求。本文通过数值模拟方法研究了14个实际侧式进/出水口的水头损失系数;利用多元线性回归方法,建立了基于侧式进/出水口体型参数计算水头损失系数的回归方程,分析了侧式进/出水口体型参数对其水头损失系数的影响规律。结果表明：侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的影响程度,对出流工况较显著,而对进流工况不显著;出流工况,侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的相关性,扩散段长度、扩散段分流墩中墩缩进距离、水平扩散角、垂向扩散角、分流墩墩头中边孔宽度比和反坡段坡比为正相关,调整段长度和防涡梁段长度为负相关;利用回归方程得到的水头损失系数与数值模拟方法的结果吻合较好。本文建立的回归方程为计算侧式进/出水口水头损失系数提供了新方法。     

侧式短进出水口水力试验及体型优化

本文结合大树子抽水蓄能水电站下库进出水口试验任务,对侧式短进出水口在不同工况下的流速分布、水头损失、库区流态等水流特性进行了水力模型试验研究。对原设计体型成功进行了优化,使各项水力参数达到比较理想的效果,解决了抽水蓄能电站侧式短进出水口在出流时流态分布不均匀与水头损失系数偏大的难题。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配,规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不超过10%,但实际工程设计难以达到此要求。本文以某抽水蓄能电站上水库侧式进/出水口为例,通过改变进/出水口各体型参数,利用三维紊流数学模型,重点研究了扩散段分流墩中边孔道宽度比、扩散段分流墩中墩墩头位置、扩散段长度等体型参数对各孔流量分配的影响。研究表明,对于4孔流道的侧式进/出水口,调整扩散段分流墩中边孔道宽度比、中墩墩头较边墩墩头缩进距离、扩散段长度,能有效改善流量分配不均匀程度,但相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足小于10%的要求。其他体型参数,例如圆变方渐变段长度,对流量分配不均匀程度的改善作用较小。研究成果对侧式进/出水口的设计具有指导意义。     

U形渠道底坡对圆头量水柱测流的影响分析

为研究渠道底坡对圆头量水柱水力性能的影响,分析其在我国北方灌区的适用性,在U形渠道中对6种底坡、6种收缩比、3种长宽比的圆头量水柱进行了系统试验,分析了该量水设施在U形渠道中的水面线变化规律及不同底坡适宜的圆头量水柱体型,研究了底坡对上游水位壅高、水头损失、上游佛汝德数及临界淹没度的影响。拟合出简明实用具有量纲和谐性的流量公式,测流精度高。试验结果表明:在渠道流量、圆头量水柱收缩比和长宽比相同时,随着底坡的减小,上游水位壅高增加,影响范围逐渐上移;上下游水头损失及上游佛汝德数随着底坡的变陡而增大;圆头量水柱收缩比及长宽比的选择与底坡呈负相关关系;该量水柱具有较高的临界淹没度,可达0.90。     

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。     

侧式进/出水口及邻近围堰环流消除优化研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口施工完成后,往往对其施工围堰采用不完全拆除方式,从而形成残留围堰.当水库运行水位较低时,进/出水口前方水面在残留围堰和地形的影响下,很可能出现不利环流现象.这种不利环流,在出流工况下易造成进/出水口前方水面波动较大,在进流工况下易诱导进/出水口上方形成有害漩涡.本文以潍坊抽水蓄能电站下水库侧式...     

竖井式进/出水口数值模拟策略研究

数值模拟在抽水蓄能电站进/出水口水力设计中的应用日趋广泛,但网格尺度的差异和不同湍流模型的选用均会对数值模拟结果产生影响。为准确、定量地评估二者的影响,本文以西龙池抽水蓄能电站竖井式进/出水口为例,针对3种网格尺度,采用4种常用湍流模型,在进流和出流工况下,对比分析了网格尺度对水头损失系数、流速不均匀系数等水力指标的影响。选用网格收敛指数定量评价各湍流模型在3种网格尺度的数值模拟误差,用以确定合理的网格尺度,在此基础上分析4种湍流模型的适用性。结果表明,在3种网格尺度下各湍流模型的计算结果均处于解析解的渐近域内,且当孔口网格由0.05D加密至0.03D时,数值模拟误差降低最明显。Realizable 模型对进流和出流工况的水力指标预测均较准确,与试验值的相对误差均达到5%。研究成果可为进一步提高进/出水口计算精度提供参考。     

抽水蓄能电站进水口明渠水力优化研究

结合某抽水蓄能电站进/出水口水工模型试验,通过模型试验和数值模拟,对进水口前明渠水力特性进行研究分析。针对原设计方案试验中明渠出现的贯穿水深的不利环流,建立三维模型,采用基于VOF两相流的RNG k-ε湍流模型对其进行优化,提出了增大明渠平面扩散角、降低引渠段高程并在其末端设坎的优化方案。试验结果表明,通过引渠段末端坎的调整,坎后明渠横断面流速分布趋于均匀,消除了进水口前的不利环流,明渠流态明显改善。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口数值模拟

侧式进/出水口作为目前抽水蓄能电站的主要形式,具有双向水流的特点.本文采用雷诺应力紊流模型(RSM)对侧式进/出水口进行了三维紊流数值模拟,数值计算结果得到了物理模型试验结果的验证,并对三孔侧式进/出水口分流墩间距进行了优化,来流不均匀性对分流的影响进行了定量描述,对弯道后水流的不均匀性进行了探讨.     

基于CFX的双调风旋流燃烧器数值模拟

基于CFX软件平台对DRB-4Z型双调风旋流燃烧器的出口流场进行了数值模拟。结果显示:随着内二次风叶片角度的增大,回流区变长,回流直径变小,射流扩展角增大,最大轴向速度和最大切向速度的衰减变慢。随着过渡风速的增大,回流区变小,并且逐渐远离燃烧器喷口。当过渡风速较小时,回流区伸入燃烧器喷口;当过渡风速过大时,回流区大大减小,火炬刚性减弱。     

侧边机组故障对泵站前池流态的影响

为研究侧边机组故障对泵站前池流态的影响,本文建立了某泵站引渠、前池、进水池与吸入管三维数值模型,并基于VOF模型开展了数值计算。然后,根据计算结果分析了不同侧边机组故障情况对前池和引渠内流态的影响。最后,引入了流速分布均匀度作为量化指标,阐述了不同侧边机组故障情况对中间机组的吸入管进口流速分布的影响规律。结果表明:侧边单台机组故障时,前池内部流速分布相对无故障变化较小,但故障机组吸水池内产生大尺度漩涡,进而导致前池出口断面流速畸变,发生流速掺混现象;侧边机组全部故障时,前池内部产生大尺度涡系,造成前池出口断面流速严重掺混现象,且范围更大,并显著影响中间机组吸入管进口流态,造成进口流速不均匀分布,进而对中间机组运行产生不利影响。     

进/出水口出流扩散脉动流速规律试验研究

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态,拦污栅断面脉动流速很大,可能危及拦污栅安全,其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置,利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大,流速脉动值可达时均值的1.8倍,平均紊动强度为0.724,该断面流速脉动呈现出明显的正态性,其概率密度分布基本服从正态分布;水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中,紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律,水流在输水隧洞段脉动流速小,在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大,脉动流速值接近时均值,甚至大于时均值,进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。     

不对称地形下进/出水口明渠段环流特性研究

为研究不对称地形下明渠段内的环流特性,以一抽水蓄能电站上水库为研究对象,对引水明渠内部的流场进行了详细的数值模拟分析。研究发现,由于明渠前方及两侧的地形边界不对称这类不利地形条件,明渠内产生了较大范围的环流,不仅影响明渠内的水流流态,还降低了各进/出水口拦污栅断面水流的均匀性,属不利的水流现象。针对这一情况,提出通过加大明渠连接段长度并扩大明渠一侧开挖范围可以使环流位置远离进/出水口,在一定程度上改善明渠内的水流流态,降低拦污栅断面水流不均匀程度,减小环流的不利影响。本文研究成果可以增大抽水蓄能电站进/出水口选址的灵活性,避免大范围的开挖,为抽水蓄能电站明渠布置方案的设计提供有益的参考。     

非设计工况下虹吸式出水流道内流数值分析

采用非结构化网格和SIMPLEC算法，对非设计工况下虹吸式出水流道的内部流动进行了数值分析。结果表明，轴流泵后导叶出口断面流速分布不均匀，存在横向流速和剩余环量，与均匀、无旋和轴向出流假定有明显差别。在非设计工况下，虹吸式出水流道内部流态恶化，下降段和出口段的回流区范围增大，驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降。在Q=3501／s时，出口断面左右两侧质量加权平均流速分别增大了93．39％和35．54％。研究还发现，流道右侧的流量大于流道左侧的流量，在p=2501／s及Q=4201／s时，左右侧流量比高达1：2．33。非设计工况下流道的水力损失恒大于相同流量时设计工况下的水力损失，左侧的水力损失大于右侧的水力损失，且不符合二次抛物线变化规律。在水泵最高效率点附近，设计工况与设计工况下水力损失的差值有最小值。     

叶片安放角分布规律对液力透平性能影响研究

液力透平被广泛应用于高余压流体的能量回收.叶片安放角从叶片进口到出口的分布规律是关键部件叶轮设计的重要参数,具有不确定性和多样性.为研究叶片安放角分布规律对液力透平性能的影响,本文总结得到线性、下凹、上凸和3种形式多段线,共6种不同形式的叶片安放角分布规律.通过数值模拟和对比分析发现,6种方案的水头-流量曲线基本相同,...     

竖井位置对双向贯流泵装置水力特性的影响

双向竖井贯流泵作为一种可实现双向抽引的低扬程泵装置形式,在平原城市地区应用广泛,而竖井布置位置一直是工程实际中需要考虑的问题之一。本文通过三维造型软件建立模型,并使用全结构化网格划分方法划分竖井流道、直管流道、叶轮段及导叶段网格,数值计算控制方程为连续性方程、k-ε湍流模型方程和雷诺时均方程并采用稳态计算对双向竖井贯流泵装置进行模拟。计算分别模拟了竖井贯流泵的竖井前置、后置两种情况下泵装置叶轮正向反向运行共计四种运行情况的水力性能特性。结果表明,设计工况下无论竖井后置或是前置,泵装置正向运行效率皆高于反向运行。无论泵装置正反向运行,竖井流道和直管式流道作为进水流道时流态皆较为平顺,水力性能差异不大;泵装置正向运行时竖井流道和直管式流道作为出水流道时尽管因造型不同内部流态有所差异但总体水力损失较小。反向运行时出水流道环量不能被导叶回收,产生能量损失较正向运行大,而此时竖井流道作为出水流道水力性能要劣于直管式出水流道。