基于CFD的壓力前池水力過渡過程流態(tài)特性分析

孛 華 江， 張 法 星， 張 恩 寶， 張 曉 龍， 蔡 愛 玲

(1. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2. 中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

壓力前池是設(shè)置于水電站引水渠與壓力管道聯(lián)接處的平水建筑物，主要作用包括加寬、加深渠道以滿足壓力管道進水口的布置要求和向各壓力管道均勻分配流量[1]。水電站機組運行過程中負荷變化會在引水系統(tǒng)中產(chǎn)生非恒定急變流，形成涌波[2]。前池中的水從機組正常運行時的穩(wěn)定狀態(tài)到負荷變化后的穩(wěn)定狀態(tài)這一過程即前池內(nèi)的水力過渡過程，引水系統(tǒng)的設(shè)計需分析水力過渡過程，從而為電站安全運行提供保障。

水力過渡問題可通過水力學(xué)模型試驗或理論方程求解，如巨江等[3]進行過拉西瓦水電站引尾水管道系統(tǒng)水力過渡過程的模型試驗，觀測了機組負荷變化時壓力管道內(nèi)的水流流態(tài)、水頭損失、調(diào)壓室涌浪等。曾赟等[4]基于明渠和有壓管非恒定流理論，構(gòu)建了一維無壓引水渠道及前池非恒定流數(shù)學(xué)模型來計算水位的波動變化。

隨著計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)逐漸成熟，CFD方法在復(fù)雜流動模擬中的應(yīng)用越來越廣泛。在水力過渡問題中，CFD方法相對模型試驗有耗時短、花費少的優(yōu)點，也能解決一維理論方程只能計算水位、流量等缺點，可得到完整的流場分布變化?；诖耍谝延醒芯炕A(chǔ)上，采用RNGk-ε湍流模型，對某水電站引水渠-前池系統(tǒng)進行水力過渡過程計算，分析系統(tǒng)內(nèi)涌波傳遞過程、前池斷面的水位波動及前池內(nèi)流速流態(tài)變化過程，從而驗證渠道-前池系統(tǒng)設(shè)計的合理性，并為相關(guān)工程設(shè)計提供參考。

2 數(shù)值計算方法及其驗證

2.1 控制方程及計算方法

計算中，認為壓力前池內(nèi)的水流為均質(zhì)、常黏性和不可壓的三維湍流流動，采用RNGk-ε湍流模型封閉雷諾應(yīng)力項，具體控制方程可參見文獻[5]。

在數(shù)值計算過程中，采用有限差分法離散控制方程?？刂品匠讨袑α黜?、湍動能和湍動能耗散率采用二階迎風(fēng)格式離散，擴散項采用二階中心差分格式，計算殘差值設(shè)為10-6。網(wǎng)格劃分采用平滑變化的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約65萬個。時間初始計算步長設(shè)為0.01 s，在計算過程中可自動調(diào)節(jié)。水面定義為自由液面邊界，采用VOF方法[6]來追蹤自由液面。

2.2 模型驗證

灣一水電站引水隧洞甩負荷工況進行建模計算[7]，以驗證前述方法的計算精度。計算得到的各斷面最高涌波水位值與試驗值相對誤差小于2%，最高涌波水位到達時間相對誤差未超過10%，引水隧洞0+403.0 m斷面水位波動的計算值與試驗值趨勢基本相同，即采用RNG k-ε模型對引水系統(tǒng)進行水力過渡過程計算是可行的。數(shù)模計算值與模型試驗測量值的對比見圖1。

(a)各斷面最高涌波水位對比

3 工程概況

3.1 工程實例

某水電站引水系統(tǒng)由引水渠、壓力前池、壓力管道等建筑物組成。引水渠道長200 m，渠道斷面為梯形，上、下底邊寬分別為27 m、8 m，邊坡系數(shù)1.5。引水渠下游接50 m長的擴散段，前池橫向為寬30 m的矩形斷面，縱向底坡由陡變平，坡底段長50 m，平底段長30 m，最大池深16.5 m。壓力管道半徑2 m，機組單機設(shè)計引用流量41 m3/s，裝機4臺，4臺機組正常運行時前池的水位為1 701.8 m，引水系統(tǒng)縱剖圖見圖2，坐標(biāo)Z=0對應(yīng)高程1 700.4 m，坐標(biāo)面X=0對應(yīng)引水渠中心縱斷面。坐標(biāo)Y=0對應(yīng)引水系統(tǒng)縱剖中軸面。

圖2 引水系統(tǒng)縱剖圖

3.2 邊界條件

上游渠道邊界條件設(shè)為水庫水位，下游邊界條件設(shè)為流量邊界，假設(shè)機組負荷變化時壓力管道內(nèi)流量線性變化[8]，甩負荷時，流量由41 m3/s在10 s內(nèi)線性降為0；增負荷時，流量由0在10 s內(nèi)線性增為41 m3/s。

3.3 計算工況

參照相關(guān)規(guī)范，進行以下兩種工況水力過渡過程的計算：(1)甩負荷計算，采用水電站各機組流量突然全部由滿發(fā)減至零；(2)增負荷時的計算，按照孤立運行的水電站突增一臺機組負荷考慮。

4 計算結(jié)果與討論

4.1 四臺機組甩負荷

4.1.1 水位變化

機組甩負荷時，首先引水渠內(nèi)水流涌入壓力前池，壓力管道中的水回流到壓力前池，此過程中，引水渠中水流流速逐漸減小，直至瞬時為零。而后由于壓力前池中的水位高于引水渠進口，整個系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生逆行正涌波，水流由前池流向引水渠，整個系統(tǒng)內(nèi)水位波動升高，逆行正涌波傳到水庫后發(fā)生反射，隨后產(chǎn)生順行負涌波，向下游傳遞。隨著能量耗散，涌波幅度越來越小，循環(huán)演變至水面穩(wěn)定。此過程即渠道-前池系統(tǒng)中的質(zhì)量波動過程是由水體慣性所引起的。甩負荷渠道-前池水面線變化見圖3，其中在甩負荷100 s后，樁號0+255.0 m位置處達到引水渠中的最高涌波水位1 703.05 m。

圖3 甩負荷渠道-前池水面線變化

四臺機組正常運行時，壓力前池斷面(樁號0+390.0 m，以下稱前池斷面)水位為1 701.8 m，在甩負荷約70 s后前池斷面涌波水位達到最高值1 703.13 m，較正常蓄水位時升高1.33 m，此水位可為前池設(shè)計高度提供依據(jù)。甩負荷后前池斷面的水位波動隨時間變小，水位波動變化的一個周期約280 s，整個渠道-前池系統(tǒng)水位波動穩(wěn)定較慢，主要原因是該引水渠設(shè)計為自動調(diào)節(jié)渠道，上游邊界為水庫水位，自動調(diào)節(jié)渠道在引水系統(tǒng)可不設(shè)置側(cè)堰，導(dǎo)致前池內(nèi)水流不能及時溢出，水位波動穩(wěn)定緩慢。甩負荷后前池斷面水位變化見圖4。

圖4 甩負荷后前池斷面水位變化

4.1.2 流速流態(tài)變化

甩負荷后壓力前池橫、縱斷面流速分布見圖5。機組正常運行時，由圖5(a)可知，壓力前池橫斷面流速分布基本對稱，主流區(qū)域流速為0.5 ～1 m/s，機組壓力管道進口處最大流速為3.5 m/s，右側(cè)流速略大于左側(cè)流速，這是因為機組運行時，壓力前池中有旋渦產(chǎn)生，壓力管道進口位置不同，流速分布便有了差別。由圖5(c)可知，壓力前池上游部分流速大小為0.2 m/s，分布基本均勻，前池平底段底部有深約1 m的回流區(qū)，越靠近壓力管道進口處，流速越大。

(a)機組正常運行時前池斷面流速分布圖

機組甩負荷后會導(dǎo)致前池內(nèi)產(chǎn)生非恒定急變流，加大前池流速分布的不均勻程度。由圖5(b)、(d)可知，甩負荷50 s后，前池斷面處流速快速減小，前池內(nèi)出現(xiàn)回流，回流旋渦位于樁號0+375.0 m～0+390.0 m區(qū)域，樁號0+310.0 m～0+350.0 m區(qū)域回流速度約0.4 m/s。在這兩區(qū)域中間是由于存在回流旋渦而形成的低流速區(qū)，到甩負荷100 s后，前池內(nèi)回流繼續(xù)存在但回流旋渦基本消失。

4.2 第四臺機組增負荷

4.2.1 水位變化

與機組甩負荷產(chǎn)生的涌波傳遞對應(yīng)，機組增負荷導(dǎo)致的水位波動過程也是由水體慣性所引起的質(zhì)量波動過程。由于機組增負荷時引用流量突然增加，引水渠來不及向壓力前池供水，壓力管道進口處水位迅速減小，引起渠道-前池系統(tǒng)中的水位波動。與甩負荷工況區(qū)別，增負荷時系統(tǒng)中首先產(chǎn)生逆行負涌波，負涌波向上游推進池中水位波動下降，傳遞至水庫經(jīng)反射后產(chǎn)生順行正涌波，再傳向下游。增負荷后渠道-前池水面線變化見圖6。

圖6 增負荷后渠道-前池水面線變化

三臺機組正常運行時，前池水位為1 701.95 m，機組增負荷后約100 s，壓力前池中出現(xiàn)最低涌波水位1 701.45 m。水位波動周期約300 s，由于只是一臺機組增負荷，故水位穩(wěn)定也較快，約8個周期后系統(tǒng)水位恢復(fù)穩(wěn)定。按照相關(guān)規(guī)范[9]，有壓式進水口應(yīng)保證在上游最低水位以下有足夠的淹沒深度，以滿足進水口不產(chǎn)生貫通式漏斗旋渦和不產(chǎn)生負壓的要求，增負荷導(dǎo)致的涌波水位最低時距離壓力管道進口頂部距離為9.35 m，滿足淹沒深度要求。計算得到的最低涌波水位可為壓力鋼管進口高度確定提供依據(jù)，圖7為增負荷后前池斷面水位變化。

圖7 增負荷后前池斷面水位變化

4.2.2 流速流態(tài)變化

1～3號機組正常運行時,壓力管道進口處最大流速為3 m/s左右，機組增負荷50 s后，4號機組壓力管道進口流速已接近其他三臺機組，即此時壓力前池向壓力管道的供水已基本穩(wěn)定。

由于引用流量的突然增加，增負荷50 s后，前池中流速整體增大，樁號0+365.0 m～0+375.0 m區(qū)域流速明顯增大。增負荷100 s后，前池內(nèi)樁號0+330.0 m～0+355.0 m區(qū)域出現(xiàn)回流，回流最大速度約0.4 m/s，這是由于突然增負荷導(dǎo)致引水渠流向壓力前池的流量大于機組引用流量導(dǎo)致的。增負荷600 s后，前池內(nèi)回流基本消失，前池內(nèi)流態(tài)已接近圖5(a)中四臺機組正常運行時的流速分布情況。機組增負荷后壓力前池橫、縱斷面流速分布見圖8。

圖8 機組增負荷后壓力前池橫、縱斷面流速分布圖

5 結(jié) 語

計算結(jié)果表明，在該引水渠-前池系統(tǒng)的水力過渡過程中，壓力前池內(nèi)的最高、最低涌波水位分別為1 703.13 m和1 701.45 m，據(jù)此可為前池設(shè)計高度和壓力管道設(shè)計進口高程提供依據(jù)。

通過對前池流速場分析可知，機組正常運行時，前池能保證向各壓力管道均勻分配水量，機組負荷變化后，前池內(nèi)會出現(xiàn)回流旋渦等不良流態(tài)，但水流流態(tài)能盡快恢復(fù)穩(wěn)定，機組全甩負荷100 s后前池內(nèi)回流旋渦基本消失，第四臺機組增負荷600 s后，供流基本穩(wěn)定。

基于第三方試驗數(shù)據(jù)驗證過的CFD方法，對引水渠-前池系統(tǒng)的水力過渡過程三維流場進行了數(shù)值計算，得到了試驗中不易獲得的流場結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果可為引水渠道-壓力前池體型設(shè)計提供技術(shù)支撐，采用三維RNGk-ε湍流模型模擬引水渠-壓力前池系統(tǒng)的水力過渡過程是可行的。