水电站进水口水流流态的研究

书书书 ! ! "辑第 #$ 卷第 % 期! ! ! ! ! ! 水 动 力 学 研 究 与 进 展 ! ! ! ! ! ! &’() "，*+,) #$，-+) % ! ! ! #$$. 年 . 月! ! ! ! ! ! ! ! /012-"3 04 5672076-"89:&! ! ! ! ! ! ! ! 8;<，#$$. 文章编号：=$$$>?@A?（#$$.）$%>$%?$>$B 水电站进水口水流流态的研究 ! 陈云良，! ! 伍超，! ! 叶茂，! ! 周勤 （四川大学高速水力学国家重点实验室，四川成都 B=$$B.） 摘! 要：! 针对某水电站在前期研究中进水口出现间歇性吸气旋涡，本文对进水口修改后的水流流态进行了研究。计算采 用 !"!紊流模型模拟原型比尺的进水口流场，并与按重力相似准则设计的 =C .$ 的模型试验进行了对比，结果明：修改后 进水口前缘仅存在表面回流，速度环量在回流区从外到内衰减较快，不具备形成立轴旋涡的条件；喇叭形进口段的水流顺畅、进 水匀称。本文的研究结果可应用于相关工程。 关! 键! 词：! 进水口；!"!紊流模型；模型试验；速度环量；立轴旋涡 中图分类号：! 0%.A) .! ! ! 文献标识码：" !"#"$%&’ ()% (*)+ ,$--"%. /. /.-$0" )( ’12%)"*"&-%/& #-$-/). :5D- 6EF>,G;FH，! ! I1 :J;+，! ! 6D 8;+，! ! K501 LGF （MJ’ &N;N’ O’< 3;P+(;N+(< +Q 5’FN(;GFGFH W+(N’Y +SSE(T GF NJ’ GFN;Z’ +Q NJ’ J TE,N S;F P’ ;UU,G’R N+ (’,;NG’R U(+\’SNT) 5"1 +)%2#：! GFN;Z’；!"! NE(PE,’FS’ X+R’,；X+R’, N’TN；W’,+SGN< SG(SE,;NG+F；W’(NGS;, W+(N’Y =! 引言 保证进水口水流顺畅、进流匀称及流态平稳，并尽 量减小水头损失，是水电站进水口设计的主要目标。 立轴旋涡是水电站进水口前常见的水力现象，它的存 在将恶化进口流态，降低过流能力，减少发电量，甚至 造成水工建筑的振动和空化破坏。 立轴旋涡的机理复杂，自由面与水工建筑物等边 ! 收稿日期：! #$$.>$=>#? 基金项目：! 国家自然科学基金（.$%A]$%$）、教育部博士点基金（#$$#$B=$$=B） 作者简介：! 陈云良（=]AB ^），男，云南巍山人，博士研究生。 万方数据 界条件多变，理论研究局限于简化模型，杨正骏［!］、何 学民［"］采用了对称恒定性、切向速度与立轴旋涡涡核 半径成反比等假设。#$%&［’］分析了旋涡流场的速度分 布规律，得出了一系列经验公式，并用实验进行了验 证。()*++,)［-］研究了自由表面吸气旋涡，得出了旋涡 强度与雷诺数、佛汝德数、韦伯数之间关系的经验公 式。现阶段主要还是采用实验方法进行研究，.+/&0)1 ,+0［2］运用 345测量并分析了自由表面旋涡等流场；唐 洪武［6］通过对旋涡流场的测量，分析了切向、径向、轴 向流速及旋涡形成条件。7&8$&［9］、卢永金［:］、邹敬 民［;］和邓淑媛［!<］研究认为进水口立轴旋涡受边界条 件的影响较大，而在模型试验中，边界条件的模拟不可 避免地有一定的近似性。另外由于立轴旋涡流场的复 杂性，相似律目前尚无统一的观点，多数情况下利用佛 汝德数相似设计，=>$?@［!!］认为雷诺数超过一定极限 值后，粘滞力的影响就可以忽略不计，但吸气旋涡并非 总是与雷诺数无关。王水田［!"］在某水电站进水口以 佛汝德数相似设计的模型试验中只发生了表面凹陷旋 涡现象，而原型观测中却出现了明显的漏斗旋涡，说明 实验结果受比尺效应的影响。因此模型实验中未出现 立轴旋涡并不等价于原型中不发生立轴旋涡现象。 与模型试验相比，数值计算有花费少、变

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快、 信息完整、模拟能力强的优势，而且不存在比尺效应的 问题。但由于立轴旋涡现象的运动比较复杂，旋涡中 心位置不确定，其尺度一般较小，而速度梯度的变化 大，对数值计算方法、局部网格的高度细化以及计算机 的处理能力都是一种巨大的挑战，尤其是自由水面的 模拟。7$［!’］和 7+$［!-］采用刚盖法近似处理自由水面， 对水泵进水口的模型进行了三维数值模拟。A>+0［!2］、 BC&0［!6］运用 !"!紊流模型及 5(D模型处理自由水面。 模型试验和数值计算相结合是研究立轴旋涡的有效方 式，在 E+F>GC+0*水电站前期研究的进水口水工模型 试验中，库水位较低时有间歇性吸气旋涡出现，通过进 水口位置的重选和进口体型的修正后，按重力相似准 则对库区及进水口进行了模型试验，比尺为 !：2<。本 文以分层两相流的 !"! 紊流模型为理论基础，水电站 部分库区、进水口前缘全部地形、喇叭形进口段、方形 洞段、闸门室段、压力管道渐变段和有压管道进口段等 作为整体，对进水口的整个流场进行了数值模拟，包括 进水口前缘可能形成的回流、表面凹陷旋涡以及吸气 旋涡等复杂的水流现象，以全面研究来流、复杂地形边 界等对进水口流态的影响，在作者查阅的大量文献中 还十分罕见。通过对进水口原型的三维数值模拟，提 供了完善的流场数据。文中运用通用软件 D7HIJK作 为数值模拟工具。 "L BDM模型 分层两相流的 !"! 紊流模型的连续方程、动量方 程和 !、!方程可分别表示如下： 连续方程： "" "# $ ""%& "’& ( < （!） 动量方程： ""%& "# $ " "’) （"%&%)）( * "+ "’& $ " "’) （# $ ##）（ "%& "’) $ "%) "’& [ ]） （"） !方程： "（"!） "# $ "（"%&!） "’& ( " "’) （# $ ## $! ）"! "’[ ]& $ , $ "! （’） !方程： "（"!） "# $ "（"%&!） "’& ( " "’& （# $ ## $! ）"! "’[ ]& $ -!! ! ! , * -"!" !" ! （-） . ( #. $ "/0 （2） 引入 5(D模型，式中 " 和 # 分别为体积分数平均 的密度和分子粘性系数；. 为修正压力，含有压强和质 量力两项；##为紊流粘性系数；, 为由平均速度梯度引 起的紊动能产生项；$!和 $! 分别为 ! 和 ! 的紊流普 朗特数；常取 $! ( !1 <，$! ( !1 ’，-!! ( !1 --，-"! ( !1 ;"，-# ( <1 <;；/为重力加速度。 进水口的立轴旋涡现象，涉及到复杂的自由水面 和水气两相流的理论。5(D模型涉及到多相流理 !-’陈云良等：水电站进水口水流流态的研究 万方数据 图 !" 进水口前缘右边局部地形 论，但它只是引入简单的单流体模型来处理多相流问 题，即水和气具有相同的速度，服从同一组动量方程， 只是它们的体积分数在整个流场中都作为单独变量， 这样就避开了采用复杂的多流体模型，把重点放在处 理水气交界面上，是模拟自由水面复杂变化的有效方 法。 #$%模型用体积率函数表示流体自由面的位置， 带来的问题是：若水面垂向网格密度不够，存在水气交 界面计算精度较差的缺陷；另外，若进水口附近发生立 轴旋涡现象，网格尺寸太大，则难以模拟出漏斗形的下 凹水面，可能导致模拟的失败，因此在划分网格时进水 口前缘附近需高度细化。结构化网格对精确模拟边界 有一定的困难，故采用了非结构化混合网格以灵活地 适应极不规则的地形和复杂的进水口体型。在 &’() *+,中建模时，取进水口前缘附近垂向网格尺寸为 -. !/，纵、横向为 !/；拦污栅支墩前后、喇叭形进口段等 网格尺寸取 !)0/；局部边界如凸起地形、凹沟等的网 格精度，如图 ! 所示，对进水口前缘的流态影响较大， 尺寸取为 -. 1)!/；其它部位 0)1/。模拟计算用非恒定 流算法逼近恒定流稳定解，时间步长取 -. ---1)-. --12。 水库入口采用流量边界条件，气体入口采用压力 边界条件。库区地形、进水口墙壁等均取为无滑移固 壁边界条件。 0" 计算与试验结果的对比和验证 0. !" 进水口前缘水面流场 模型试验中进水口前缘流态的观测结果：（!）升 水位时的流态。保持进水口为电站设计流量 !3- /0 4 2，进库流量约为 3--. -/0 4 2，当水库水位逐渐从死 水位 !-3-. --/上升至校核洪水位 !-53. 67/时，进水 口前缘及进水口水流保持平稳，无水面的凹陷和旋涡。 （3）降水位时的流态。保持进水口在电站设计流量 !3-. -/0 4 2，库水位以每小时 !. 6/ 下降，当水库水位 在低于校核洪水位 !-53. 67/和高于死水位 !-3-. --/ 时，进水口水流保持平稳，无表面旋涡。（0）大流量下 的流态。考虑到试验模似的局限性和不可避免的存在 误差，为确保进水的可靠，保持不同的水库水位，在大 于设计流量的情况下观察进水口前缘及进水口水流流 态。结果表明：电站高于死水位在各种流量下运行时， 进水口前缘及进水口水流流态能满足电站进水条件， 未出现立轴旋涡现象。 库水位为死水位 !-3-. --/、流量为一台机组的设 计流量 8-. --/0 4 2 时，在模型试验中进水口前缘水面 右边有回流现象发生，并形成环流，见进水口前缘右边 局部地形的模型图 !，回流方向为顺时针，如图 ! 中箭 头所示。为保证进水条件，有必要进一步研究回流对 进水主流的影响情况，以确定是否需对进水 390 水" 动" 力" 学" 研" 究" 与" 进" 展" " " " " " " " " 3--1 年第 0 期 万方数据 表 !" 进水口前缘水面回流的比较 回流范围 （#） 最大回流 速度 （# $ %） 平均回流 速度 （# $ %） 回流区从外到内，速度环量的 计算半径 !（#） 进口佛汝 & ’ ! 德数 速度环量 !（#( $ %） "! 试验 !) # $ # *) ( # % # !+& , )- !& )- )& +- ), *- .. )- *! )- !. 计算 !! # $ # *) ! # % # !+& , )- (! )- )+ !)- ,/ (- ,( )- !( )- !. " " 注：速度环量 ! ’ $ (" ) (# !0#，方向为顺时针。其中 (#为计算半径 !处的切向速度。 口作改进和优化。从图 ! 可以看到进水口右边有一从 下游高坡向上游库底延伸的凹沟，进水口前的地形开 挖后，与右边凹沟之间形成局部的地形凸起，对水流产 生阻滞作用，导致了回流的发生。试验中用 123, 4563 6789 :7976型旋桨流速仪测量流速，进水口前缘平 面流场的测量结果见图 (，计算结果见图 *，比较情况 见表 !。计算和试验都表明回流只发生在水面，水面 *#以下水流平顺，无回流现象发生，见图 ’、图 ,。 图 (" 进水口前缘水面平面流场试验结果 结果表明：计算与试验所对应的水面回流范围及 形状吻合较好，回流形成的环流方向都是顺时针；进水 口左边墩附近计算和试验中均存在微弱的水面回水， 但未形成环流；水面最大回流速度的计算值稍大。误 差分析：（!）试验测试对应点的空间位置与实际坐标 点不可避免地存在出入。（(）由于模拟区域大，计算 时部分网格布置密度上还不足以完全满足需要。（*） 测量仪器的最小测量值为 )- ))& # $ %，由于采用 ! $ ,) 的比尺，原型的测量约需大于 )- )/ # $ %，实测值较接 图 *" 进水口前缘水面平面流场计算结果 近其测量范围的下限。 图 ’" 进水口前缘水下 *#平面流场试验结果 *’*陈云良等：水电站进水口水流流态的研究 万方数据 ! ! 数值计算验证了试验结果：进水口前缘附近水面 回流的速度环量较小，并且在回流区从外到内衰减较 快，见表 "。原因在于进口的佛汝德数 !"很小，不足以 补充能量以克服由于水流粘性而耗散的速度环量。理 论研究表明立轴旋涡的生成机理是：水深小于一定的 淹没水深，旋涡中心附近能保持一定的速度环量，且水 流具有一定的佛汝德数 !" 能维持并拉伸速度环量至 水下的进水口。计算和试验都都表明回流只存在于水 面，并未延伸至水下进水口，不具备形成立轴旋涡的条 件，水流流态满足进水要求。 图 # 进水口前缘水下 $%平面流场计算结果 $& ’! 喇叭形进口段流场 死水位时喇叭形进、出口断面的速度矢量图见图 (。可以看出：喇叭形进口处水流顺体形流入，水流顺 畅、进水匀称，未出现回流或环流，即进水口未发生立 轴旋涡现象，与试验观测情况相同。表明：喇叭形进口 水流流态能满足要求， 由于固壁粘性的影响，断面边界处的速度小，中心 速度大。喇叭形进口上唇及左右边墙的收缩，使得进 口断面的速度矢量有向中轴线偏的趋势。在出口断面 上进口断面的收缩影响已经较小，因此速度矢量基本 与中轴线平行。在正常、校核和设计水位时，各断面上 速度矢量的趋势与死水位时基本一致。 ) 结语 通过对水电站部分库区、进水口前缘全部地形、喇 叭形进口段、方形洞段、闸门室段、压力管道渐变段和 有压管道进口段等的整体数值模拟，全面研究了来流、 复杂地形边界等对进水口流态的影响，给出了进水口 前缘流场，与试验测量结果基本一致。计算和试验结 果都表明：回流只存在于水面，进口的佛汝德数 !" 较 小，速度环量在回流区从外到内衰减较快，因此不存在 产生立轴旋涡现象的可能性。喇叭形进口段的水流顺 畅、进水匀称。 图 ( 喇叭形进、出口断面速度矢量图 本文的研究结果可应用于相关工程；三维数值模 拟作为模型试验的有力补充，为两者结合研究立轴旋 涡提供了参考。 参! 考! 文! 献： ［"］! 杨正骏等& 水工建筑物进水口自由表面旋涡的实验研究 ［*］&水力发电学报，"+,-，（"）：’".’(& ［’］! 何学民，汝树勋&水工建筑物进水口三维旋涡流场的理论 研究［*］&水电站设计，"++$，+（$）：-".-(& ［$］! /012 * 2，345126 7& 89:;<=>? ;@ A=B.<;B9 C;B>=<9D A> E?. FBAG:=< =H>AI9D［ *］& *;GBHA: ;@ /?FBAG:=< 2HJ=H99B=HJ， 4K72，"++)，"’L（$）：’,).’+-& ［)］! MNO446N 4 *& PB99.DGB@A<9 A=B <;B9 C;B>9Q［*］& *;GBHA: ;@ /?FBAG:=< 2HJ=H99B=HJ，4K72，"+,(，""’（-）：("L.(’L& ［#］! 64*2RN64R 8 S AHF S4125 8 7& T9ADGB9%9H> ;@ C9B>=. <9D =H %;F9: UG%U.=H>AI9 VA? V? S08［ *］& *;GBHA: ;@ /?. FBAG:=< 2HJ=H99B=HJ，4K72，’LLL，"’(（#）：$’’.$$)& ［(］! 唐洪武，徐夕荣，张志军& 粒子图象测速技术及其在垂直 进水口漩涡流场中的应用［ *］& 水动力学研究与进展，4 辑，"+++，")（"）："’,."$)& ［-］! 5280 2& 8;B>=<9D =H E?FBAG:=57?55: @59A57682344B ;8A8) 436 C655 ;=8634 D967825;［ !］" .8D84 E:@8:5568:@ 3:F G9?56， #$&H，(I（#J）：#’H*)#’*&" ［#H］王水田" 水工建筑物漏斗吸气旋涡问题研究与进展 ［0］" 南京：水利电力部南京水利科学研究所，#$&’" ［#*］K- 1 L 3:F KM- N O" P348F3789: 9C 3 7<655)F8A5:;89:34 :Q) A568234 A9F54 C96 ?3756)=QA= 8:73R5;［ !］" !9Q6:34 9C LB) F63Q482 S5;5362<，HJJ’，’H（*）：H%H)H$H" ［#’］KM- N O，TEUES K ! 3:F GMVEK P ." M :9:)Q45:7 C49? ;8AQ) 43789: C96 7<5 7384 ?3756 2<3::54［!］" !9Q6:34 9C LBF69FB:3A) 82;，156" U，#$$&，%（’）：I%)%I" ［#&］.LEX +Q:" V<655)F8A5:;89:34 7Q6>Q45:25 :QA568234 ;8AQ43) 789: 9C 3 ;75==5F ;=844?3B 9D56C49?［ !］" !9Q6:34 9C LBF69FB) :3A82;，156" U，HJJ’，#&（#）：I’)I$" (’*陈云良等：水电站进水口水流流态的研究 万方数据 水电站进水口水流流态的研究 作者： 陈云良， 伍超， 叶茂， 周勤， CHEN Yun-liang， WU Chao， YE Mao， ZHOU Qin 作者单位： 四川大学高速水力学国家重点实验室,四川成都,610065 刊名： 水动力学研究与进展A辑 英文刊名： JOURNAL OF HYDRODYNAMICS(A) 年，卷(期)： 2005,20(3) 被引用次数： 11次 参考文献(16条) 1.邹敬民 进水口防涡措旋研究[期刊论文]-水动力学研究与进展A辑 2000(04) 2.卢永金;郭子中 进水口前的水流运动 1989(01) 3.LEVI E Vortices in hydraulics 1991(04) 4.唐洪武;徐夕荣;张志军 粒子图象测速技术及其在垂直进水口漩涡流场中的应用[期刊论文]-水动力学研究与进展A辑 1999(01) 5.Rajendran V P;PATEL V C Measurement of vertices in model pump-intake bay by PIV[外文期刊] 2000(05) 6.Odgaard A J Free-surface air core vortex 1986(07) 7.hite J E;WALTER C Velocity of air-core vortices at hydraulic intakes 1994(03) 8.何学民;汝树勋 水工建筑物进水口三维旋涡流场的理论研究[期刊论文]-水电站设计 1993(09) 9.Chen Qun Three-dimensional turbulence numerical simulation of a stepped spillway overflow[期刊论文]- Journal of Hydrodynamics Series B 2004(01) 10.GUAN Jian-yong;CHEN Bi-hong 3-D turbulent flow simulation for the tail water channel 1996(04) 11.LAI Y G;WEBER L J;PATEL V C A non-hydrostatic three-dimensional numerical model for hydraulic flow simulation-Part I:Formulation and Verification 2003(03) 12.Li S H;LAI Y G Validation of a three-dimensional numerical model for water-pump intakes 2004(03) 13.王水田 水工建筑物漏斗吸气旋涡问题研究与进展 1964 14.QUICK M C Scale relationships between geometrically similar free spiral vortices 1962(10) 15.邓淑媛 泄水建筑物进口水面漩涡的形成及其克服方法的探讨 1986(04) 16.杨正骏 水工建筑物进水口自由表面旋涡的实验研究[期刊论文]-水力发电学报 1987(01) 本文读者也读过(8条) 1. 任坤杰.王凤.韩继斌.REN Kunjie.WANG Feng.HAN Jibin 电站进水口的水流数值模拟分析[期刊论文]-人民长江 2010,41(15) 2. 张仲卿.梁军贤.魏有健.Zhang Zhongqing.Liang Junxian.Wei Youjian 大型水电站发电进水口水流流态研究[期刊 论文]-水力发电1999(4) 3. 于利均.王斌.包中进.YU Li-jun.WANG Bin.BAO Zhong-jin 浙东引水工程萧山枢纽进水口优化数值模拟[期刊论文 ]-水利水电技术2009,40(3) 4. 杨建东.金峰.姜治兵.YANG Jiandong.JIN Feng.JIANG Zhibing 分层取水式电站进水口水力特性数值模拟研究[期 刊论文]-人民长江2011,42(3) 5. 马吉明.刘天雄.梁元博.MA Jiming.LIU Tianxiong.LIANG Yuanbo 三峡工程水电站进水口的型式及其水力特性[期 刊论文]-应用基础与工程科学学报2000,8(1) 6. 叶茂.伍超.杨朝晖.姜跃良.YE Mao.WU Chao.YANG Zhao-hui.JIANG Yue-liang 进水口前立轴旋涡的数值模拟及消 涡措施分析[期刊论文]-四川大学学报（工程科学版）2007,39(2) 7. 唐若晗 龙滩水电站发电进水口前立轴旋涡的研究[学位论文]2010 8. 李妍.高学平.徐茂杰.董绍尧.张宗亮.刘兴宁.LI Yan.GAO Xue-ping.XU Mao-jie.DONG Shao-yao.ZHANG Zong- liang.LIU Xing-ning 水电站进水口水力特性数值模拟研究[期刊论文]-水利水电技术2010,41(1) 引证文献(11条) 1.任坤杰.王凤.韩继斌 电站进水口的水流数值模拟分析[期刊论文]-人民长江 2010(15) 2.党媛媛.韩昌海 进水口漩涡问题研究综述[期刊论文]-水利水电科技进展 2009(1) 3.陈云良.张林.张锦堂.张亮.伍超.王波 过水围堰溢洪的全域三维数值模拟[期刊论文]-四川大学学报（工程科学版） 2009(6) 4.吴立春 FLUENT软件在水力学中的应用进展[期刊论文]-重庆教育学院学报 2009(3) 5.雷艳.刘礼华.魏晓斌.陈黎明.张宏志 某水电站分层取水进水口脉动压力模型试验[期刊论文]-武汉大学学报(工学版 ) 2007(2) 6.CHEN Yun-liang.WU Chao.YE Mao.JU Xiao-ming HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF VERTICAL VORTEX AT HYDRAULIC INTAKES[期刊论文]-水动力学研究与进展B辑 2007(2) 7.叶茂.伍超.杨朝晖.姜跃良 进水口前立轴旋涡的数值模拟及消涡措施分析[期刊论文]-四川大学学报（工程科学版） 2007(2) 8.叶茂.伍超.林威.王飞.王贵川 侧向水平进水孔口立轴旋涡的试验研究[期刊论文]-水科学进展 2007(6) 9.叶茂.伍超.陈云良.张挺.周勤 FLUENT软件在水利工程中的应用[期刊论文]-水利水电科技进展 2006(3) 10.陈云良 进水口前立轴旋涡水力特性的研究[学位论文]博士 2006 11.徐辉 城市排水泵站进水水力特性研究[学位论文]博士 2005 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sdlxyjyjz200503010.aspx