多机组水电站调压室阻抗系数的三维数值模拟

水电站多台机组共用调压室的流态较为复杂,通过模型试验的方法确定其水头损失系数时,历时较长,代价较高。本文利用fluent软件建立数学模型对某常规水电站多机组共用一个尾水阻抗调压室的阻抗系数进行数值模拟分析,分别研究调压室两种典型工况和不同机组台数组合运行时的情况,并将数值模拟结果与物理模型试验值进行了比较,证明用数值模拟方法研究水电站多机组共用调压室的阻抗系数值是有效可行的。     

双机共用尾水调压室内水体流态数值模拟分析

通过试验观察到机组在运行时调压室内部水体并不是静止的,而是一直与调压室底部流道中的水体发生着物质交换与能量传递。当只稳定运行其中一台机组时,调压室底部产生的水头损失比较大,原因是流态不对称。应用计算流体力学数值模拟方法,对双机共用尾水调压室机组稳定运行工况下调压室内水流流态进行了数值模拟,结合试验观测到的现象发现:单台机组稳定运行工况下流经调压室两个阻抗孔的流量大于两台机组同时稳定运行工况下的流量;单台机组稳定运行工况下,调压室内水体波动较大,调压室水面流速比两台机组同时稳定运行时要大些。     

注肥三通管水力特征数值模拟和试验研究

为研究旁路式水肥一体化施肥机中Ｔ型注肥三通管中注肥管流量、压力与主管流量、压力的关系,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,研究注肥三通管流量比（侧管进口流量／主管出口流量）、管径比（侧管管径／主管管径）对局部阻力系数（主管进口－主管出口ξ1、侧管进口－主管出口ξ2）的影响规律。结果表明:注肥三通管局部阻力系数ξ1只与流量比有关,随流量比递增,局部阻力系数ξ1先增大后减小。局部阻力系数ξ2与流量比、管径比均相关,随流量比递增而增大,随管径比递增而减小。基于流量比和管径比,建立了局部阻力系数ξ1、ξ2的计算模型,决定系数分别为0．996与0．999。研究结果可为注肥管进口所需压力提供计算方法。     

水电站进水口水力特性数值模拟研究

结合二滩水电站、小湾水电站、洪家渡水电站和天生桥一级水电站,采用k-ε紊流模型对其进水口水力特性进行了三维数值模拟,对进水口水头损失、流速分布及流态等方面进行了总结。数值模拟结果得到了模型试验结果的验证。     

三维非定常湍流尾水管涡带数值模拟

采用全流道三维非定常流动数值模拟方法,研究了混流式水轮机在部分负荷工况运行时,尾水管涡带在尾水管内引起的压力脉动现象。计算工况为典型的部分负荷工况,单位转速为70.52r/min, 单位流量为0.679m3/s。计算结果表明在4个计算点都得到了涡带低频压力脉动：频率为0.333Hz, 是转频1.25Hz的1/3.75,相近工况（n11=71.25r/min,Q11=0.689m3/s）模型试验测得涡带频率为5.31Hz, 是转频18.62Hz的1/3.51,从涡带频率看计算结果与试验测量结果一致。研究成果表明数值模拟方法是可行的,可以在设计阶段预测尾水管内涡带压力脉动的特性。     

非均匀地质体内渗流场数值模拟分析

基于饱和-非饱和渗流理论,针对复杂层状地质体内不同渗透特性介质的空间分布情况,以克立格插值建立模型,并对水流在其内部的动态变化进行数值模拟,分析了地质体内压力水头的分布变化规律,进而得到水流在非均匀地质体内的渗透变化规律。数值模拟结果表明:均匀地质体内压力水头连续分布,非均匀介质体内的压力水头在不同渗透性介质的交界面处出现转折,渗流速度的方向也随着介质的不同分布发生改变。     

水电站进水前池三维数值模拟

建立水电站进水前池内流动的k-ε紊流数值模型,采用VOF方法,对高水头小流量引水式电站进水前池内流场进行了三维数值模拟。计算得出了冲击式水轮机在引用设计流量1．94m^3／S时前池内水流流态,底板压力分布,及压力钢管进口流速分布以及在针阀突然关闭时,前池内水面涌高时水面线形状。数值计算结果结合常规理论分析可以为工程设计提供参考。     

三岔管内水流流动的数值模拟与实验研究

结合江苏宜兴抽水蓄能电站工程建设中钢岔管的设计要求，对分岔角为64°的三岔管内水流的流动进行数值模拟与实验研究。计算中选择SIMPLE方法求解三维雷诺平均方程和k-ε两方程湍流模型，实验采用数字图像测速(DPIV)系统和在试验段前后断面上安装液体差压计对三岔管中心的水平面内的压强差进行测量。研究结果表明，无论水头损失还是三岔管内水流的流动模式，计算与实验吻合得较好，同时反向双管流动较正向双管流动的能量损失大，在相同的流速情况下，单管流动比双管流动的能量损失大，正向单管比反向单管的能量损失大。     

水电站混合型调压井水力特性数值模拟研究

混合型调压井水流流态复杂,常规解析法和图解法均不能精确求出混合型调压井涌浪水位波动、压力差变化、调节保证变化等。基于数学模型进行混合型调压井水力特性数值模拟,并通过模型试验验证数值模拟成果可靠性,论证混合型调压井可行性。结果表明:数值模拟和模型试验基本吻合,数值模拟成果是可行的。调压井最高涌波水位低于调压井顶高程,最低涌浪水位大于需要最小淹没水深,调压井底板受到的向上最大压力差较小,水位波动经过上下往返运动,波动不断减少,最后稳定。机组转速、蜗壳和尾水管压力均在合理的范围内,因此调压井底板高程和顶高程、阻抗孔口大小、稳定断面设计是合理的。     

阻抗式调压室水头损失系数研究

根据江苏省宜兴抽水蓄能电站尾水调压室局部模型试验结果，研究具有连接管的阻抗式调压室的水力特性，并用查表计算和经验公式计算进行验证，主要研究了连接管中水流方向、连接管道直径以及流量比对调压室水头损失系数的影响．研究表明，模型试验存在一定的误差，在含调压室系统的水力过渡过程计算中，需结合模型试验结果和数值计算结果，确定阻抗式调压室水头损失系数。     

Numerical study of flow fluctuation attenuation performance of a surge tank

The surge tank plays an important role in ensuring the stability of a water flow standard device. To study the influence of the structure and the working conditions on the regulator performance of a surge tank, a three-dimensional model, including a surge tank, the pipeline and the water tank is built, and the VOF model in the Fluent software is used to simulate the two-phase pulsatile flow in the surge tank. The inlet flow pulsation is defined by the User Defined Functions （UDF）, and the outlet flow is set to be a free jet. By calculating the flow fluctuation coefficient of the variation uader different flow conditions, the influences of the pulse frequency, the initial water level height and the baffle plate structure on the flow stability are analyzed. It is shown that the surge tank has a good attenuation effect on high-frequency pulsations, there is an optimal initial water level to suppress the fluctuations, the round holes of the baffle should ensure a certain circulation area with the bore diameter small enough to have the necessary damping effect.     

水电站水力过渡过程数值仿真的理论与实践

系统地介绍了水电站水力过渡过程数字仿真的基本理论和计算方法,过渡过程的起因和研究内容,并用多个水工模型试验测量的调压室水位、管道水锤压力及其压力过程线资料验证了计算方法及参数选择的合理性.利用CTD技术得到了调压室内的水流流态、三维流速分布以及调压室水位波动的动态演示.该数字模型已用于多个电站引、尾水系统的水力过渡过程计算,得到的调压室最高/最低涌浪水位、蜗壳及岔管断面最大/最小水锤压力、机组最大飞车转速以及它们的变化过程线,引水隧洞最大/最小内水压力包络线、小波动和水力干扰下的发电频率摆动、机组稳定性分析等成果,为工程设计提供了重要依据.     

滑坡涌浪传播及翻坝过程数值模拟

将滑坡体概化为滑块,并给定其水下运动规律,利用UDF自定义函数对Fluent进行二次开发,模拟了滑块入水产生的涌浪性质,并分析了涌浪首浪传播及翻坝过程。仿真结果表明:若将滑坡概化为滑块,在给定水下运动形式下,产生的涌浪性质与孤立波类似,即涌浪只影响水面以下一定范围,对水底影响不大;涌浪顺水流方向的运动对动压起主要贡献;首浪在传播过程中涌浪波幅会减小而波宽会增大,且波高沿着传播方向其衰减速率在逐渐变小;滑块排挤的库区水体体积小于自身体积;小体积的滑坡对大库容的水库影响程度很小。对比分析不同体积滑坡激发涌浪翻坝的过程发现,滑块体积越大,激发的涌浪传播速度越快,高度越高,形成的翻坝流量越大,对下游的危害性越大。     

波涌畦灌入渗规律及数值模拟

本文在室内对波涌畦灌入渗规律进行了试验研究，建立了与连续畦灌入渗特性参数间的联系，用数学模型模拟了波涌畦灌入渗过程，并根据实验资料对模型进行了验证。     

曝气池内气液混合液两相流力学特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉多相流模型和标准k-ε湍流模型对曝气池内气液两相流力学特性进行数值模拟研究。速度与压力的耦合求解采用了Phase-Coupled-SIMPLE算法。对中心截面(y=0.025 m)在(z=0.71 m)测线上垂向速度的模拟值与实验值进行比较分析,结果吻合较好。结果表明:当表观气速较小时,进口气速对曝气池上方混合液的垂向速度影响较小;当表观气速较大时,整个曝气池中心截面(y=0.025 m)呈现中心垂向速度大,靠近两侧边壁的垂向速度小,且为负值的规律。并且发现气泡在上升的过程中由于附壁效应容易产生摆动,表观气速越大,附壁效应越明显。通过对曝气池内不同气体速度下池内力学特性的分析研究,以期对曝气池的设计运行提供参考。     

湍黏系数对浅滩海域三维风暴潮的影响

利用WRF大气模式和基于有限体积法的三维海洋数值模型FVCOM,建立了连云港及其附近浅滩海域的三维风暴潮流数学模型。运用k-ε和MY-2.5两种不同的湍流模型,对"韦帕"台风作用下的三维风暴潮流进行了数值模拟,并对计算得到的三维风暴潮流流场结果和垂向湍流黏性系数结果进行了对比分析。计算分析结果表明,两种不同湍流模型计算所得的风暴潮增水差别很小,可以忽略;但在风生流较强的时间段内,MY-2.5湍流模型计算所得的水平流速流向沿垂向分布并不一致,而k-ε湍流模型的计算结果较好,与实测分层潮流资料更为符合。研究结果表明,垂向湍流黏性系数沿水深的垂向分布对浅滩海域风暴潮流水平流速的垂向结构至关重要,建议选用k-ε湍流模型计算垂向湍流黏性系数和湍流扩散系数。     

圆中环沉沙排沙过滤池三维流场数值模拟

在对圆中环沉沙排沙过滤池的计算区域作了特殊处理后,选用适当的边界条件,采用VOF方法追踪自由水面,结合标准k-ε双方程模型,对圆中环沉沙排沙过滤池进行了三维数值模拟研究。给出了特定断面的清水流速矢量图、流速等值线图和流速轨迹线图等水力参数。计算结果对研究圆中环沉沙排沙过滤池的流场特性和输沙机理以及圆中环沉沙排沙过滤池设计具有一定的指导意义     

基于混合平面法的轴流式水轮机内三维湍流数值模拟

通过求解由κ-ε双方程湍流模型封闭的三维时均N-S方程对轴流式水轮机内部四个典型工况的全三维紊流场进行了计算,并采用“混合平面”法处理转轮与导叶问动静耦合流动的参数传递和相互干扰问题。捕捉到了轴流式水轮机内部压力分布和速度分布等重要的流动信息,在此基础上计算了四个工况下转轮的水力效率。结果表明,该方法能够较为准确地预测出轴流式水轮机转轮与导叶间的总性能参数及内部流场结构,所得到的结果对进行轴流式水轮机的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义。     

Influence of flow field on stability of throttled surge tanks with standpipe

The steady-state flow field characteristics have important effects on the stability of the throttled surge tank with the standpipe. This paper analyzes these effects on the basis of the numerical simulation of the flow field by using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. It is shown that the anticlockwise recirculation zone is formed in the standpipe, which affects the local head loss at the junction of the standpipe with the pipeline. The variation of the head loss coefficient at the junction is linearly related with the diameter ratio of the standpipe to the pipeline. The dimensionless recirculation flow rate is proportional to the square of the diameter ratio. Considering the effects of the recirculation zone, an empirical expression of the critical stability area is obtained. Comparing with the Thoma critical area, the area obtained by the present method is smaller, and the reduction depends on the diameter ratio and the ratio of the velocity head to the head losses in the tunnel.