敦化抽水蓄能电站上水库进2f出水口水力学数值模拟

'第一章绪论第一章绪论1．1抽水蓄能电站发展概况与前景一百多年前，世界上第一座抽水蓄能电站诞生于瑞士苏黎世。早期抽水蓄能电站的主要作用是调节常规水电站发电的季节性不均衡，大多数讯期蓄水，枯水期发电【lJ。到了二十世纪六七十年代后，工业发达国家的抽水蓄能电站得到迅速的发展，美国的抽水蓄能电站装机容量跃居世界第一，电站也逐步向可逆式、高水头、大容量的方向发展。进入二十世纪九十年代后，日本取代美国成为世界上抽水蓄能电站装机容量最大的国家，全世界抽水蓄能电站装机容量也由七十年代的640万Kw增至7000万Kw。此外，世界上许多国家都在发展大容量的抽水蓄能电站。迄今为止，很多国家的抽水蓄能电站总装机容量已占常规水电容量的较大比例，如美国抽水蓄能机组占全国装机的比重超过2％，英、法等国均超过4％，日本超过10％。与欧美、日本等发达地区和国家相比，我国的抽水蓄能电站发展起步较晚，第一座抽水蓄能电站是建于1968年的河北岗南混合式抽水蓄能电站【21。进入二十世纪九十年代，国内抽水蓄能电站才得到全面快速的发展，兴建了广州抽蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等一批大型抽水蓄能电站。“十五”期间，又相继开工了张河湾、西龙池、白莲河等一批大型抽水蓄能电站。截至2006年底，全国抽水蓄能电站投产规模达到764．5万kw，同比增长22．4％，约占全国发电装机总容量的1．3％，约占世界抽水蓄能电站总规模的7％左右。抽水蓄能机组具有水电设备起停快速和调节灵活的优点【31。随着我国经济社会的快速发展，为满足用户对电力供应安全和质量要求的不断提高，发挥抽水蓄能电站的动态效益，建设适当比例的抽水蓄能电站显得十分必要。从我国今后电源发展看，预计2020年我国的发电装机将达到13亿kw以上，从系统经济性和安全性的角度考虑，系统需要配置3％一5％的抽水蓄能电站，因此，到2020年我国需要建 第一章绪论设4000万一6000万kw的抽水蓄能电站。I．2抽水蓄能电站侧式进／出水口水力特性抽水蓄能电站兼顾抽水和发电两种工况，上水库和下水库的进／出水口具有双向水流的特性，因此，进／出水口在体型的设计上应该加以重视，合理的进／出水口体型不仅可以保证电站稳定运行，而且可以提高电站的运行效率。设计合理的进／出水口体型应满足：(1)在各个运行水位下，进流时，应保证水流能够均匀进入各孔口，拦污栅处流速分布均匀，整个进／出水口段不能产生有害的漩涡运动，尤其是吸气漩涡；出流时，各孔口水流应该均匀扩散，各孔孔间流量分配差别不超过10％，进／出水口处流速分布均匀，扩散段盖板下部不存在水流分离区。(2)进／出水口的水头损失在出流和入流工况下都应该达到最小，这样就保证了无论是抽水还是发电工况，电站的运行效率都能达到最优。(3)为了避免拦污栅发生振动破坏，各孔口流速不均匀系数(拦污栅断面最大流速与拦污栅断面平均流速的比值)应尽量减小，并且各孑L口断面不产生反向流速。1．3国内外相关问题的研究进展纵观各种文献，国内外学者研究抽水蓄能电站进出水口体型时，主要采用模型试验和数值模拟两种方法。抽水蓄能电站研究初期以物理模型试验为主，模型试验的优点在于针对性强、数据较准确。随着计算流体动力学(computationalfluiddynamics，简称CFD)不断成熟，数值模拟的应用也越来越广泛。数值模拟可以在消耗较少财力和物力的情况下，模拟多种工况甚至多种体型的运行情况，而且可以比较全面地了解整个流场的变化情况。回顾这些研究，无论是利用物理模型试验还是计算机数值模拟，都取得令人满意的成果。(1)叶飞【4】对西龙池抽水蓄能电站下水库侧式进／出水口进行了物理模型试验研究。试验发现，不同运行水位的抽水和发电工况下，孔口附近流速分布基本相同， 第一章绪论多个进／出水口同时运行时，其相互影响不大；同一进／出水口水头损失系数和孔13流速不均匀系数在发电工况下较大，抽水工况下较小；整流段对水流调整起至关重要的作用，整流段长度应当足够长以调整因水流扩散而形成于扩散段末端顶部的回流。(2)蔡付林、胡明、张志明等[5】应用物理模型试验研究了侧式进／出水口分流墩与进／出水口水力性能之间的关系。通过物理模型试验，研究比较分流墩形状及其布置方式对进／出水口各孔流道中流量分配、流速分布和水头损失系数的影响。针对某抽水蓄能电站运行水位变化幅度较大的特点，拟定多个试验方案，对每个方案在各个特征水位下抽水与发电工况进行了模型试验，并对各个方案的水力特性进行对比。试验结果表明，分流墩的形状和位置会很大程度上影响侧式进／出水口的水力特性。(3)黄智敏、何小惠、朱红华等【6】结合广州抽水蓄能电站下库进／出水13，进行了水工模型试验。试验研究了进／出水口水头损失、流速分布、进／出水口漩涡问题以及流量分配等方面，并对原体型进行了优化。(4)张从联、朱红华、钟伟强等[7】对某抽水蓄能电站下库进／出水口水力特性进行了物理模型试验。试验拟定了多种进／出水口体型，并对发电、抽水工况下进，出水口水头损失、进／出水口流速分布、各通道流量分配和入流漩涡等水力要素进行研究，解决了下库进／出水口流速分布不均和出流偏流等问题。(5)章军军、毛根海、程伟平等【8]应用三维数值模拟对某抽水蓄能电站原设计体型成功地进行了优化。数值计算采用RNG|ic一占模型，应用多子区域组合法，每个子区域单独求解，速度和压力耦合计算采用SlMPLEC。结果表明，计算与试验结果吻合较好。对原进／出水口体型的分流墩布置形式、盖板以及各孔口流道结构进行优化，优化体型较原体型水头损失减小，出流流速分布更加均匀。(6)沙海飞、周辉、黄东军等【9】采用雷诺应力紊流模型(RSM)对某抽水蓄能电站下库侧式进，出水口进行了三维数值模拟，并对三孔侧式进／出水口分流墩间距进行了优化，对弯道后水流的不均匀性进行了探讨。数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好。(7)陈青生、叶建军等【lo】采用单因素比较的方法计算分析了进／出水口各几何参数对水流流态的影响。首先通过物理模型试验分析进／出水口的水流特性，然后根据量纲分析理论，以经试验验证的三维数值模拟为研究手段，分析来流管道坡度、 第一章绪论_————————————————————————————————————————————————一扩散段长度、平面扩散角、立面扩散角以及分流墩布置形式等几何因素对进／出水15水流特性的影响，为进／出水口的优化设计提供参考依据。1．4敦化抽水蓄能电站工程概况敦化抽水蓄能电站位于吉林省敦化市北部小白林场，距敦化市直线距离约70km，距吉林市120km，距长春市220km。长春至延吉的高速公路穿过敦化市，对外交通方便。电站总装机容量1400MW，装机4台，单机容量350MW。枢纽工程由上水库、水道系统、地下厂房系统、下水库等建筑物组成。电站建成后在系统中将承担调峰、调频、调相和事故备用任务。本工程为一等工程，工程规模为大(I)型，主要建筑物为l级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。上水库位于海源林场樱桃沟沟源部位，采用开挖和填筑相结合的方式修建，大坝位于库区东侧。大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，利用库盆开挖料筑坝。上水库正常蓄水位为1391．0m，死水位为1373．0m。水道系统及地下厂房位于上、下水库之间的山体内。水道系统包括引水系统和尾水系统，均采用一管两机的布置方式。引水系统由上水库进／出水口(包括引水事故闸门井)、引水隧洞、引水调压室、高压管道、引水岔管及引水支管等建筑物组成；尾水系统由尾水支管、尾水事故闸门室、尾水岔管、尾水调压室、尾水隧洞、下水库进／出水口(包括尾水检修闸门井)等建筑物组成。水道系统洞线沿4≠}机组总长4558．54m，其中引水系统长度3015．05m，尾水系统长度1543．49m。上水库进／出水口采用岸边侧式进／出水口，1≠f、2拌进／出水口体型相同，并列布置，其中心线问距47m，中心线方位角为NEl30。上水库正常蓄水位1391m，死水位1373m。进／出水口底板高程为1358m。发电工况，单机流量62．43m3／s；抽水工况，单机流量5lm3／s。上水库进／出水15沿发电水流方向依次为：防涡梁段、扩散段，全长为44m。每个进／出水口设3个分流墩，将进／出水口分成4孔，每个孔15尺寸为4．6mx8．5m(宽X高)，分流墩宽度为1．5m。防涡梁段长12m，为消除产生吸气漩涡的可能，在顶部设置4道防涡梁，其断面尺寸为1．2mx2m，净距1．2m：扩散段长32m。进／出水口每一孔布置有一道拦污栅。上水库进／出水口布置如图1—1所示。4 第一章绪论(a)平面布置图(b)剖面图图1．1敦化抽水蓄能电站上水库进／出水口5 第一章绪论1．5本文的主要工作进／出水El为抽水蓄能电站的重要组成部分，体型设计是否合理，是决定电站是否能够高效稳定运行的因素之一。本文以敦化抽水蓄能电站上水库侧式进／出水口为研究对象，做了以下工作：(1)对上水库原方案在抽水和发电工况下进／出水口的水头损失、流速分布、流态及流量分配进行数值模拟。计算结果表明在抽水(出流)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。(2)根据数值模拟结果，对原方案进／出水口进行优化。考虑流态、不均匀系数和流量分配，采取延长扩散段、压低盖板垂向角度、增加调整段、调整孔口宽度和分流墩位置等措施，提出了优化体型。对提出的优化体型进行了数值模拟，分析得出优化方案各项水力学指标均满足要求。 第二章研究方法及模型建立2．1基本控制方程(1)连续性方程(2)动量方程(3)k方程(4)s方程第二章研究方法及模型建立aU———』=0OX．(2．1)‘盟刊，警一上詈+毒CV等一瓦UUOtaXPox]+三Pf(2-2)—』+U——二=一————+——l——二一1+一F．Lz。z，J|拟laXj＼、t一1iOk州，瓦ak=旦OXj”尝]，毒j+G一占c2引鲁州，毒=毒”封毒1+C．。詈G‘。}c2圳式中，一瓦¨(考+警卜峨川。是鼬onecker符号，当坷时咿l"当i≠j帆=0；G为剪切产生项，表达式为G¨【券+．O批U∥j]OU_,：p为流体密度：p为压强；t为时间；U，为i方向的速度分量；f为作用于单位质量水体的体积力；Ji}：i／2是单位质量紊动动能；s为紊动动能耗散率：v为运动粘性系数；y，为紊流运动粘性系数，它由紊流动能七及紊流动能耗散率￡确定，V，=c，了k2。q、c1。、C。仃。、和仉是模犁通用常数，分别取为0．09、1．44、】．92、1．0和1．3。 第二章研究方法及模型建立2．2计算方法本文所研究的问题为粘性不可压缩性具有自由界面的流体，采用VOF(TheVolumeofFluid)方法，VOF适用于两种或多种互不穿透流体间界面的跟踪计算。对每一相引入体积分数变量仅。，通过求解每一控制单元内体积分数值确定相间界面。设某一控制单元内第g相体积分数为aq(0_{>?。⋯漆／越硷∞§鑫罨¨0l弱L∞诡毫C棼；)j弋’、》}夕／／。／I霉一一谁F——士押-一一·嫡也埒@。甏蕾f嚣瑚№《墙@0臀L埒tj。L∞渤C∞0(b)2号进／出水口拦污栅断面流速分布图3-4原方案进／出水口拦污栅断面流速分布(工况：1}f2}}3}}4}}机组抽水，单机流量51m3／s，库水位1373m)16IIIIJ_既“蓬m一善匿器羹一墨艇器辇一暑毫韪羹^县盛‰瑟誉一暑矗譬强器量 第二章原方案进／出水口数值模拟成果与分析———————————————————————————————————————————————————————_————————————————————————————————————————————一表3-4原方案进／出水El拦污栅断面各孔口流速不均匀系数(工况：l}f2撑3≠}4≠}机组抽水，单机流量51m3／s，库水位1373m)舳号彻断面鞴巢曩蕊最嚣。，平蒜。，不簇数1．1l一21．31．41．1左1．1中1．1右1．2左1．2中1．2右1．3左1．3中1．3右1．4左1．4中0．580．600．610．690．720．740．760．740．710．620．611．4右0．581．231．741．761．240．602．060．722．430．732．4l0．602．0517 第三章原方案进／出水口数值模拟成果与分析3．1．3进／出水口流态对于抽水工况，l号和2号进／出水口同时双机运行时，各进／出水口流态基本相同。主流靠近进／出水口底部，扩散段顶盖板下部出现水流分离区，其范围自靠近调整段的防涡梁起，涉及约二分之一的扩散段，如图3．5所示。0．000．661．321．982．643。313．97(a)1号进／出水口流态Jk‘一爨腻㈠l(b)2号进／出水口流态图3-5原方案进／出水口流态(工况：1舵躬粥撑机组抽水，单机流量51m3／s，库水位1373m)3．1．4各孔口流量分配l号和2号进／出水口同时双机抽水，根据孔口垂直流速分布计算各孔口流量。1号进／出水口流量分配在22．54％-27．67％之间(理想分流比为25％)，中间两个孔口流量大于两侧孔口流量。2号进／出水口双机抽水，流量分配在22．47％～27．85％之间(理想分流比25％)，中间两个孔口流量大于两侧孔口流量，详见图3-6，并列于表3．5和3-6。 第三章原方案进／出水12数值模拟成果与分析(b)2号进／出水口各孑L口流量分布图图3-6原方案进／出水口流量分配(工况：l}}2拌3撑4≠}机组抽水，单机流量51m3／s，库水位1373m)表3．5l号进／出水口流量分配(工况：l{[}2#3}}4撑机组抽水，单机流量5lm31s，库水位1373m)孑L口1—11-21-31-4流量分配22．54％27．01％27．67％22．79％表3-62号进／出水口流量分配(工况：l}i}2}}3≠}4撑机组抽水，单机流量5lm3／s，库水位1373m)孔口2一l2．22-32-4流量分配22．47％26．97％27．85％22．71％19 第三章原方案进／出水El数值模拟成采与分析3．2发电工况计算工况：双机发电，死水位1373m，流量124．86m3／s。3．2．1水头损失(1)进／出水口水头损失进／出水口的水头损失是指库水位V。(0-0断面)至渐变段和隧洞段交界面(1-1断面)问的水头损失，如图3-7。进／出水口的水头损失根据相应断面的测J玉管水位以及相应的过流量计算得出。发电工况下，进／出水口水头损失为：^，V。一V。一当(3-5)zg水头损失系数善由下式确定：善：埤(3．6)式中，V。为上库0-0断面测压管水位；V。为1-1断面测压管水位；v为隧洞平均流速；口为动能修正系数，口=1．0：h。为水头损失。孥垂望董查垡!!!!：!!口死水位137300—0水流方向=令l23拓涡梁段l扩散段惭变段I隧洞段断变段闸门井段晰变段l图3．7水头损失计算断面表3．7给出了发电工况上水库进／出水口的水头损失计算结果，发电工况(进流)下进／出水口水头损失系数为0．2l。比较上水库国内同类型进／出水口的水头损失系数20 第三章原方案进／出水IJ数值模拟成果与分析(参见表3-2)，十三陵抽水蓄能电站为0．21，广州抽水蓄能电站为0．19，敦化抽水蓄能电站上水库进／出水口的水头损失系数基本相当。表3．7原方案进／出水口水头损失与水头损失系数(发电工况)(2)闸门井段水头损失闸门井段的水头损失是指闸门井上下游两侧渐变段末端1倍洞径断面(2．2断面～3—3断面)间的水头损失。发电工况下，闸门井段水头损失为：而。=(堕+娑)一(旦+警)(3-7)Pg29pgzg水头损失系数善由下式确定：善：埤(3．8)b一．、．，v，式中，P：、v：为2-2断面平均压强与平均流速；P，、v，为3—3断面平均压强与平均流速；v为隧洞平均流速；口为动能修正系数，取口=1．0；h。为水头损失。表3．8给出了上水库发电工况闸门井段的水头损失计算结果。发电工况(进流)，闸门井段水头损失系数为0．144。表3-8原方案闸门井段水头损失与水头损失系数(发电工况)3．2．2进／出水口流速分布流速断面位置及编号与抽水工况相同，参见图3．2。1号进／出水口各孔口沿水深流速分布基本相同，中间两孑L口流速小于两侧孔口流速。拦污栅处流速分布，1号进／出水口双机运行，各孔口平均流速约0．64～0．92m／s；21 第三章原方案进／出水口数值模拟成果与分析各孔口流速不均匀系数(过栅最大流速与过栅平均流速的比值)为1．16～1．23。2号进／出水口各孑L口沿水深流速分布基本相同，中间两孔口流速小于两侧孔口流速。拦污栅处流速分布，2号进／出水口双机运行，各孔口平均流速为O．64～0．91mls：各孔口流速不均匀系数为1．05～1．20，进／出水口流速分布如图3-8，拦污栅断面流速分布绘于图3-9，并列于表3-9。 矗∞Q釜蛊船鑫蔼矗站L∞U0黜Cg=}∞锄∞0国0∞糯瑙触Ct§)9008oo7‘10600～童500鲥莲400吲3伽2珈l‘m0∞9(10800z00600√喜500馘量400耐300200l∞n∞瓣缸∞盏站锄0锄0i,II)l】Dj％谴(翟‘)锄0&∞钓00癣铷0L。0U；瀚￡m‘)(a)1号进／m水口流速分布000fJ20n40n60fJ．80l00l20耕i速(叫s)n册020040060【J跏l0(II20流速(rids)争∞800z∞600商500矗蓬400岳30【|2{101000∞蠢型蟛世型9∞8∞700600)DO4∞300200l000l】0000020040060O舳l002C流逮(m／$)0000．20n400600踟IO(DI20流速tm／s)(b)2号进／出水口流速分布图3．8原方案进／出水口前缘流速分布(工况：1}}2j!j}3私}}机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)23孽|瓣谧鼬|甍瑶|毫潞№浊一寻E蓦l∞∞∞∞∞饕∞∞∞。。．，o旦矿黔鼍，．。。墓|瞄l；喜瓣!誊|鼍莘搬潍懈潍一暑鼍罟幂∞雪∞嚣∞稚∞∞。。．。“旦F‰一磐卧一：。。 锄@∞黜怒s，濑№岱蚴哪?∞一5∞暑蓍兰：∞瑚8∞9008007‘m600釜5∞聋莲一裂301i200l00O∞∞@瀚—琶。④擒岱溜&∞j∞一点∞呈基搬耋：量∞L∞0∞∞洒蛳徽)臻∞璐。玺涵∽瑚慧s】∞瑚增(a)1号进／出水口拦污栅断面流速分布D∞IJ200AO0．600跚1001．20流速(耐s)9008007“I6‘mY镬5．00凸差4∞竖3lxI2(ml000∞9∞8∞700600商5,00岳莲400黾3CO200l000000．000．200|00600∞1．00l20流建L叫s19(m8fm7‘¨6(m√叠50n型卷4㈣鼎3(^l200l(J【】0(目0(100．20040fJ600．80l00I∞Ot0020ll-10㈣l(mla}波速(“‘】流速．rigs：(b)2号进／出水口拦污栅断面流速分布图3-9原方案进／出水口拦污栅断面流速分布+(工况：l}}2≠}3撑4{|j!机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)24潍瞄强鼢潞楷播强憎潍一基照譬誊瞄啦僵鼬!曼蛳瑙播憎差薹一基0匾匠鍪 第三章原方案进／出水口数值模拟成果与分析表3-9原方案进／出水口拦污栅断面各孔口流速不均匀系数(工况：l}}2{f}3}}4≠f机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)舳号彻断面藉巢曩勰最蔷。，平蔷。，不熟数1．1左0．9l1—11．1中0．921．06O．921．161．1右O．921．2左0．671．21．2中O．640．790．641．231．2右0．631．3左0．731．31．3中O．660．820．671．22l一3右O．631．4左0．881-41-4中0．881．060．881．201-4右Q：!!—————————————————————————————————————————————————————————————————————————一一2．1左0．892．12．1中0．9l1．050．911．052．1右0．922．2左0．632．22—2中0．640．750．641．182．2右0．652．3左0．672．32．3中0．660．790．661．202．3右0．652．4左0．902．42．4中0．911．040．911．15_____-___lll_---___I●_l__I_____--l_l__l__I_l-__l-l_____-_____l————————————————————一 ．笙三主垦查壅鲨堂查旦鳌篁基垫盛墨量坌堑一——3．2．3进／出水口轫i漆对于发电工况，l号和2号进／出水口同时双机运行时，各进／出水口流态基本相同。防涡梁上部水流平顺，水面无漩涡，如图3—10所示。O匿a、1号进／出水口流态b、2号进／出水口流态图3．10原方案进／出水口流态(工况：l}}斜3}}4}}机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)26 3．2．4各孔口流量分配1号和2号进／出水口同时双机发电，根据孔口垂直流速分布计算各孔口流量。1号进／出水口流量分配20．66～29．39％(理想分配25％)，中间两孔口流量小于两侧孔口流量。2号进／出水口流量分配在20．59～29．16％之间(理想分流比25％)，中间两个孔口流量小于两侧孔口流量。详见图3-11，并列于表3-10和3-11。图3．11原方案进／出水口流量分配(工况：l}}2群3#4挣机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)表3．101号进／出水口流量分配(工况：l≠}2撑3}}4撑机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)151孑Ll-1l-21。j1’Lt流量分配．：!：：!兰：!：!!丝!!：!!丝．—二翌兰21一I_—_-————-—_l—-—I-_l——l—-——_l———————————一27 第三章上水库原方案数值模拟成果与分析表3．112号进／出水口流量分配(工况：l撑2≠}3}i}4}|}机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)3．3原方案小结为方便起见，现将原方案进／出水口在各工况下计算得到的水头损失、水头损失系数、流速不均匀系数以及各孑L口流量分配进行总结归纳，并列于表3一12。表3．12原方案进／出水口主要参数一览表3．3．1抽水工况(1)水头损失原方案双机抽水时，进／出水口水头损失系数为0．300，较为合理；闸门井段水头损失系数为O．151。(2)流速分布原方案双机抽水时，中间两孔主流处于流道下部，两侧孔主流处于流道中间。各孔在流道上部接近顶板处均出现分离区域。中间孔口流速稍大于两侧孔口流速，拦污栅处不均匀系数在2．05-2．47之间。(3)进／出水口流态原方案双机抽水时，防涡梁上部流速较小；防涡梁段、扩散段和调整段出现分离区，其范围自靠近调整段的防涡梁起，涉及约二分之一的扩散段。(4)流量分配原方案双机抽水时，1号进／出水口流量分配在22．54％-27．67％之间，中间两个 第三章上水库原方案数值模拟成果与分析孔口流量大于两侧孔口流量。2号进／出水口双机抽水，流量分配在22．47％-27．85％之间，中间两个孔口流量大于两侧孔口流量。3．3．2发电工况(1)水头损失原方案双机发电时，进／出水口水头损失系数为O．211，较为合理；闸门井段水头损失系数为0．144。(2)流速分布原方案双机发电时，各孔流速分布基本相同，中间两孔口流速小于两侧孔口流速。拦污栅处不均匀系数在1．05～1．23之间。(3)进／出水口流态原方案双机发电时，防涡梁上部水面平稳，流速较小，无漩涡出现；防涡梁段、扩散段和调整段未出现明显分离区。(4)流量分配原方案双机发电时，l号进／出水口流量分配20．66-29．39％，中间两孔口流量小于两侧孔口流量。2号进／出水口流量分配在20．59～29．16％之间，中间两个孔口流量小于两侧孔口流量。29 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析原方案进／出水口数值模拟结果表明，抽水(出流)工况下原方案进／出水口拦污栅断面上部出现反向流速，不均匀系数偏大。针对这两个问题，需对原方案进／出水口体型进行优化。4．1优化方案4．1．1优化理论依据抽水蓄能电站侧式进／出水口水流特性的影响因素有很多，包括调整段长度、扩散段长度、扩散段垂向扩散角、通道布置、平面扩散角、分流墩布置形式、进／出水口孔口尺寸等等。(1)扩散段长度对进／出水口水流特性的影响设置扩散段目的是使隧洞来流经扩散调整至末端进／出水口处的流速分布与流态等达到水力设计要求。陈青生，叶建军n刚通过物理模型试验对某抽水蓄能电站侧式进／出水口各几何参数的研究表明，扩散段的长度必须适中。扩散段长度太短时，水流的动能损失就会增大；扩散段长度太长时，水头损失就会相应地增加，而且水流流态也会不利于机组运行。建议L／D(L为扩散段长度，D为洞经)取值范围为4～8，当L／D=6时，水流流态达到最优状况。(2)调整段对进／出水口水流特性的影响在工程条件允许的情况下，水流在扩散段末端距进／出水口处须留有一定距离的调整段。这是因为水流经过扩散段时，会出现流态不均匀，甚至出现水流分离区，增设调整段会使水流在还没有进入扩散段时，流态就已经得到梳理调整，防止出现水流分离区。此外，调整段内水流压力分布均匀，避免了水流因为压力递增而出现反向流速，使得扩散段内水流流态得到改善。事实上，增设调整段也等于减小了扩散段的有效扩张角。调整段段长度约为0．4倍的扩散段长度为最佳。 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析(3)扩散段盖板扩散角对进／出水口水流特性的影响从水流运动特性来看，扩散段内的流动属于有压缓流的扩散阻力问题，根据研究[131，在雷诺数Re>4×105时，扩散段垂向扩散角最佳特性为3。’5。，这个“最佳特性”的物理含义是：为了将管道的小截面过渡到大截面(流体的动能转化为压力能)，而且做到尽量减小全压损失，安装平顺扩散的管道——渐扩管。在渐扩管中，当扩张角小于一定值时，随着截面面积的增大其平均流速降低。相对于小(初始)截面上速度的渐扩管总阻力系数，要比相同长度、横截面等于渐扩管初始截面的等截面的阻力系数小。考虑实际工程中的进／出水口布置条件，很难保证扩散段的“最佳特性”，结合多位学者的研究H9’501得出，要使扩散段体型阻力系数尽量减小，单向扩散角取3。～5。为最佳。(4)通道布置形式对进／出水口水流特性的影响分流墩的布置合理与否，直接影响着进／出水口阻力系数的大小。选择适当流道数目和合理的分流墩头部形状可以使扩散段内平面流速分布得到调整，还可以使各流道的流量分配均匀。在设计通道布置时应考虑以下几点：(I)扩散段内分流墩的数目，以各孔流道的分割扩张角10。≤Act<15。为宜。(II)分流墩头部形状多采用尖型或渐缩式小圆头，这样设置分流墩不仅可以在平面分布上避免头部过于拥挤，还可以有效减小水头损失。此外，在扩散段起始处两侧边墙连接处以圆弧形为宜。(III)合理配置各分流墩间距离。根据现有的研究成果，对于二隔墙三孔道的布置，中间孔道宽应占30％，两边孔道占70％；对于三隔墙四孔流道的布置，中间两孔道宽应占总宽的44％，两边孔占56％。据张从联口钉对抽水蓄能电站进出水口水力学试验研究指出一般分流墩与进出水口轴线成对称布置，但是由于分流墩在起始区域占据了较大的过水断面，使水头损失增加，因此分流墩的起始位置与墩头形状是进／出水口布置的重要考虑因素。一般认为，分流墩布置成直线形为宜，分流墩起点应布置在扩散段后0．5D(D为洞泾)处。 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析4．1．2优化后进／出水口体型优化方案是在原方案基础上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，并增长扩散段长度，进／出水口由四孔改为三孔。具体参数为：防涡梁段长12m，调整段长15m，扩散段长37．2m，扩散段顶盖板垂向扩散角3。；每个进／出水口分成3孔，中间两分流墩距离|．gin，每个孔El尺寸为7．1mx8．15m(宽×高)。优化方案如图4．1和4．2。l．’。．一1一．。。一’宴—～硼叫：；=，q二．。一一龇二．———‘；=■；．监》，H-．^咐莒i譬皇皇皇l!旦_’一-』’?‘⋯．一。一：二．二二；；；．．；孟二三羹，一{：多多夕∥，。‘。，?一一(a)平面图fl一缸毒{uuuuI薯"衄∞。．一：：#习一十’舅⋯，k-F倒．mIf—￡oy1．婴!．_I．!§篓．1．i!竺．I．麴．1-搬黼椭嘲(b)纵剖图图4．1上水库进／出水口优化方案 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析4．2抽水工况图4．2上水库进／出水口优化方案三维图计算工况：双机抽水，死水位1373m，流量102．OOm3／s。4．2．1水头损失比较表4．1给出了优化方案与原方案进／出水口段与闸门井段水头损失比较。进／出水口段，优化方案水头损失为O．156m，水头损失系数是0．268；原方案水头损失为0．175m，水头损失系数为0．300。优化方案的水头损失较原体型有所减小。闸门井段水头损失比较，优化方案水头损失为0．088m，水头损失系数是0．151；原方案水头损失为0．088m，水头损失系数为0．151。闸门井段水头损失不变。表4-1优化方案与原方案进／出水口水头损失及水头损失系数对比(工况：l}}2样3}f4拌机组抽水，单机流量51m3／s，库水位1373m)4．2．2流速分布比较(1)进／出水口孔口流速分布比较优化方案各孔口沿水深流速分布基本相同(图4．3)，两侧孔口流速小于中间孔 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析口流速。原方案各孔口沿水深流速分布表现为两侧孔I：3主流较高，接近流道中心，中间孔121主流较低(图4-4)，中间孔口最大流速大于两侧孔LI最大流速。优化方案和原方案孔El流速分布相比，优化方案各孔El流速分布曲线比较缓和，最大流速减小，说明扩散段项板角度改变使抽水工况(出流)流道内流速分布更加均匀，流态流速‘“s)流速(nVs)(a)l号进／出水El处流速分布(b)2号进／出水口处流速分布图4．3优化方案进／出水口处流速分布(工况：l}}2拌3}i}4{[f机组抽水，单机流量51．00m3／s，库水位1373m) 第四章优化方案进，出水口数值模拟成果与分析＼／——Ll串——埘中／_鑫1。∞0Q∞U0L辩L∞电强强身蕾毫C盘5j、、＼一一：一3{／nl。∞0a∞lfl口1．∞l∞羲蘸(矗，j姆L埒u。城l啦(ms{／——i．●$矗拍矗∞A∞kl。l勇“0髓f913(a)l号进／出水口处流速分布＼／／——；l串毒l。嘧＼。，一二产鑫∞U豁15巷“峙一鑫埒镬j。淀涟C型5lj——繁睁也l。∞0Q西L埒L蚤L辩i殛C＆；j锰∞U0L蚤L婚潞e躺)}——；守也1。∞a嚣L10瑚凇(mg)(b)2号进／出水口处流速分布图4．4原方案进／出水口处流速分布(工况：1}}2jfi}3}}4拌机组抽水，单机流量51．OOm3／s，库水位1373m)35^旦墨-罨《譬一芎毫簧日西兽夸_一鼍蚕臻*^§_■蚕us舞一童精譬鬻鬈一暑基-善_一5基-萋-一量曩譬叠毋窖 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析(2)拦污栅处流速分布比较优化方案拦污栅处流速分布如图4．5，并列于表4-2，1号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在0．59--0．67m／s范围，拦污栅处最大流速1．21m／s，各孔口流速不均匀系数(过栅最大流速与过栅平均流速的比值)为1．61～1．79。2号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在O．58～0．67rn／s范围，拦污栅处最大流速1．21m／s各孔口流速不均匀系数为1．62～1．79。原方案拦污栅处流速分布如图4-6，拦污栅处最大流速1．76m／s，不均匀系数在2．05～2．47之间。优化方案与原方案的不均匀系数列于表4．3中。优化方案和原方案拦污栅处流速分布作对比，优化方案拦污栅处流速分布更加均匀，最大流速减小，不均匀系数均小于2，较原方案有了较大改善。原方案中部分孔口出现的负流速已经得到有效消除。扩散段顶板角度改变对抽水工况(出流)拦污栅处流速分布的改善有明显效果。36 第四章优化方案i甜出水口数值模拟成果与分析3007∞6∞3500藿400蟠警3．00嘴2lml000∞8()07(m6∞t500V譬400鼙兰3．00曲2．00l000008007006003500萑400鉴耋3．0020fll000．003007(10600童5．00√譬400蜂塾00200l∞0．008fm7“}6呻35’呻彗00辎誊圳，200l00000(a)1号进／出水口拦污栅处流速分布(b)2号进／出水口拦污栅处流速分布图4-5优化方案进／出水口拦污栅处流速分布(上况：1}}2{f}3挣4≠}机组抽水，单机流量51．OOm3／s，库水位1373m)37帅豇m眦眺差帅加呻∞02∞舯¨0“∞建0流帅O加O∞0柏加∞帅¨O一溢帅O加∞∞¨o州哪髓m∞O吣蝴瑚Ⅷ湖Ⅷ瑚㈨㈣^基一髓哥骚世避柏加∞舯订0州㈣髓∞加0吣0柏∞蚰曲O耐艘帅加0∞ 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析、零。∥。／，／一一l-1左啻——，一··t·I-I：占龟硷幽一，．钮薏1强l鹭l∞o协矗弱滋(口3)。＼、．～、飞7^一一1．盎—矿一潆／----H窟，。也硷鑫3。龟再ll奄I叠L∞滟f23jj≥∥_j／厂i蒌0乃LDU0l赞电强0∞激C§E3O话L垃Lj。l瓣jt逮e嗽】(a)1号进／出水口拦污栅处流速分布。毽。；≮．》，．搿’’／‘。．厂一一：-在矿——}产，一一一．1-l占．0100300，0L101-50l辨l髓C§M)。＼、、：二二篁／∥‘，、、——H中．．，’’⋯．嫡—，遗的03。一，-_‘‘谤—一皿l。03。。‰e嚣瑚增。‘、‘、{、’勒．％矿i／。≯一一M莲r——}一-一-·埔。裔啦c二≯1∞瑚龟硷@盘再110靴C《5"(b)2号进／出水口拦污栅处流速分布图4．6原方案进／出水口拦污栅处流速分布(工况：1}}2{!i}3#4≠}机组抽水，单机流量51．OOm3／s，库水位1373m)38^§～■窖萋-一量膏罄娶撼雪一三毫壁鞲詈一旦蓉誊一一量譬譬蟹篮謇一喜甚-誊_ 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析表4．2优化方案进／出水口拦污栅处流速分布(工况：1ff2}j}3槲群机组抽水，单机流量51．00m3／s，库水位1373m)1．621．791．672—3右0．53表4．3优化方案与原方案流速不均匀系数对比(工况：l}}2}}3}}4jf|}机组抽水，单机流量51．OOm3／s，库水位1373m)计算对象1．11-21．3l。42．12-22-32-4优化方案1．611．791．671．621．791．67原方案2．062．432．4I2．052．472．402．064．2．3流态比较优化方案，各进／出水口流态基本相同，主流靠近进／出水口底部，扩散段顶盖板下部出现水流分离区，其范围自靠近调整段的防涡梁起，涉及约四分之一的扩散段(图4．7)。优化方案较原方案，扩散段项盖板下部出现的水流分离区范围明显减小，防涡梁段的反向流速消失。说明压低扩散段扩散角、增加调整段与增长扩散段长度使抽水工况流道内流态得到明显改善。39舛扒螺01O879565O坍∞卯硒"：3酡甜O0O0O左中右左中右左中：2232l232 第四章优化方案：iktE／出水口数值模拟成果与分析0．OO0．831．662．493．324。154。98■k一蘸i{{’0{(a)1号进／出水口流态O，OO0．831．662．493．324．154．98雷猷三(b)2号进／出水口流态图4．7优化方案进／出水口流态(工况：l舟2撑3}}4}|}机组抽水，单机流量51．OOm3／s，库水位1373m)4．2．4流量分．配比较根据各孔口垂线流速分布，计算了各进／出水口各孔口过流量。优化方案，1号进／出水口流量分配在31．66％～36．44％之间(理想分流比33％)；2号进／出水口流量分配在31．680／旷36．50％，两侧孔口流量小于中间孔口流量，各孔口流量分配绘于图4-8，并列于表4-4。优化方案将四孔改为三孔后，出流时流量分配较均匀，符合优化要求。(a)1号进／出水口流量分配-豢#{i【j2#{L1：3#{L几(b)2号进／出水口流量分配 第四章优化方案进／出水El数值模拟成果与分析4．3发电工况计算工况：双机发电，死水位1373m，流量124．86m3／s。4．3．1水头损失比较表4．5给出了优化方案与原方案进／出水口段与闸门井段水头损失比较。进／出水口段，优化方案水头损失为0．169m，水头损失系数是0．194；原方案水头损失为0．184m，水头损失系数为O．211。优化方案的水头损失较原体型有所减小。闸门井段水头损失比较，优化方案水头损失为0．126m，水头损失系数是O．144；原方案水头损失为0．126m，水头损失系数为O．144。闸门井段水头损失不变。表4-5优化方案与原方案进／出水DI水头损失及水头损失系数对比(工况：1拌2≠}3撑4}}机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)4．3．2流速分布比较(1)进／出水口孔口流速分布比较优化方案各孑L口沿水深流速分布基本相同(图4．9)，两侧孔口流速大于中间孔口流速。原方案各孔口沿水深流速分布基本相同，表现为主流较高，接近流道中心(图4．10)，中间孔口最大流速小于两侧孔口最大流速。优化方案和原方案孔口流速分布相比，优化方案各孔口流速分布曲线比较缓和，最大流速减小，流道内流速分布变均匀。41 iOC”：∞蓐毒》§∞0∞0辫§槌曩嚣1∞l∞i醇l耱l骆纛潺《tt》l辨?糖§潞S瓣IOC,；瓣2瓣l瓣0∞耄釉：麓岳∞0静§*e罅$鳓§筠§辨l∞l勰l解I静蠢蒜i·t{．麓。辩E：赫{瓣000鲫00∞0鞯0辩$瓣l∞§嚣I艟l翳t嚣嚣趣《_§；8舶7船6∞，：5．00戡2j∞l肿O舯O∞O∞O．{o060O瑚流速1．001．201．40i．601．So{m／5)O瑚020040O∞0ZO1．001201．4．01．60igO流速(“s)g．∞7006∞0000200曲O鳓0∞流速l∞120l蚰1．60tgO(m七)(a)1号进／出水口处流速分布(b)2号进／出水口处流速分布图4-9优化方案进／出水口处流速分布(工况：1}j}2}j}3j!j}4}|}机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)42嵫㈣篓!瓣_萋滞一《一羹越鋈哺潍啪珊|妻耋{m锄一lu)霹磐耋q一釜槲薯瓣誉譬t孽辫珊瑚景|m嘲一u|一瑟置—墼鹫 第四章优化方案i{}／出水口数值模拟成果与分析鑫∞Q∞O∞Q毋矗∞L∞U0l董哇C蕾{l锄@0孵&蹬汹瑚增浇涟CⅢtj9肿3册7Ilo6呻垂500矗鬈4∞矗3∞200I(100(iO伽0矗聱040盘∞矗l&l∞L】D赫(§s)叠∞g∞缁一鼢旦矗瑚羹兰2∞L∞矗∞∞B蛐e柏油&∞磁心蠹逮C盈甜(a)1号进／出水口处流速分布00002004006008000I20流速fⅡ如)9008．007∞6．00√垂500岳委一∞§3∞2．00l00n∞m∞0200400600舯1flO120流墟(m／s)●000n20040060080l00120流速fm／s)9．008007．006帅禽500《蟠世400岳3002册100000n000如040060080GOI20流速(m／s)(b)2号进／出水口处流速分布图4．10原方案进／出水口处流速分布(工况：1#2#3#-4#机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)43蠢l搿孺豫!襞蝣|荤}|孳m滞一墓鼙鐾羹∞∞i。，．“暑．矿-卧墼凯2。。∞∞∞∞∞∞；。．、。o喜一—日孰罐‰：。&哪蝴瑚㈣Ⅲ枷姗瑚啪㈣)|亟矗蟮遥醋 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析(2)拦污栅处流速分布比较优化方案拦污栅处流速分布如图4-1l，并列于表4-6，1号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在0．60～0．84m／s范围，拦污栅处最大流速1．OOm／s，各孔口流速不均匀系数(过栅最大流速与过栅平均流速的比值)为1．14～1．20。2号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在0．60～0．84m／s范围，拦污栅处最大流速1．00m／s各孔口流速不均匀系数为1．15～1．19。原方案拦污栅处流速分布如图4．12，各孔口平均流速约O．64～0．92m／s，拦污栅处最大流速0．92m／s，不均匀系数在1．05～1．23之间。优化方案与原方案的不均匀系数列于表4．7中。优化方案和原方案拦污栅处流速分布作对比，优化方案各孔口平均流速大于原方案，这是由于优化方案将孔口由四孔改为三孔，减小了过流总面积。优化方案流速不均匀系数均小于2，符合优化要求。 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析S00，∞6伪S∞：．∞5．00o5．00嚣‘∞i3．00瑚i∞覆∞8瑚"∞6舯OOO00_00．400鼬0．SO1．001．Ⅺ1．401601．SO滟(ns)0000200400600101．00I．20l401,60I．SO湛(“，)：，棚葛{∞蓥：瑚2-舯l舶0珊O∞0．2．00．40O曲O鄂1．00120i靶1_60l∞滟(”s)E．007瑚‘．∞15∞￡2瑚：0000200u蚰0．60050l钟1201．401．60t鲫窝塞(Ⅲ1)B∞7∞600三5”鏖·00羹；∞2肿l∞&∞2∞7．000．000．200．400,60O∞t．001201．401．60l如滟(“s)三5∞葛400器，∞。2∞l∞。∞O∞0200．400．60O蛐100120l∞1．GO150智￡透fm气)(a)1号进／出水口拦污栅处流速分布(b)2号进／出水口拦污栅处流速分布图4．11优化方案进／出水口拦污栅处流速分布(T况：1}}2群3}}4样机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)45Ⅲ要|珊瑚懈㈣^￡一-盂麓墓 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析瓣∞a∞矗∞垴岱j琶蘧C丑{3潍嘲7街一矗∞呈鬟2∞l∞渤Q∞娃盈滞娃霉∞0L∞L∞瀣【$j)童街婚‘搿一瑚善嚣孙垂兰2∞l∞锄叠∞l∞谢一鼬旦鲑2∞城蛳鼢@Q∞瓣a∞瑚心湖Ct；)0茁锄∽蚴a葑瑚1．／0潞C∞‘3(a)l号进／出水口拦污栅处流速分布锄O∞锄锄锄瑚岱凇栖’蛐鼢协劬曩瓣藿锵珊狮m∞锄蛐蚺谧鼬珊岱凇蛐)锄∞锄∞∞m珊∞∞∞∞∞laDm灌妯)鲁；擅妊)(b)2号进／出水口拦污栅处流速分布图4．12原方案进／出水口拦污栅处流速分布(工况：1}i}2#3}}4{!f机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)∞∞∞∞∞薅∞岱∞{妻蓟。，，fv．r黔敷：。o。啦皤珊!量啦船!甍蛳嘶一叠嚣基震品-蛳邸珊锄懿秘j勇盐浊瓣一叠霞镌霹盛_淞鼬面锄郧蛐强荤|鼬蛳一§墨整窭丘- 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析表4-6优化方案进／出水IZI拦污栅处流速分布!三堡：!丝!：丝!塑丝垄皇：兰垫鎏星!：：!：翌：!!：壅查垡!：!i尘：．一--l____-___●____________-__--●___-_____-___-_____-_____-——————————————————一一彻号彻断面蓊纂勰最盈。，平蔷。，不蒜数1．1左0．81I-3右!：坠．————————————————————————_——————_———————————————————————————————————一一2．1左0．821．191．151．19．!i鱼!：!j．一_ll_——-_--l-—__-—●_-l-●-—l___-_-_l__I_●_I_-___-——————————————————一一表4．7优化方案与原方案流速不均匀系数对比．!三堡：!兰：!：丝!垫丝垄皇：皇垫鎏量丝：!：竺：!!：壁查垡!：：：翌：———___-_●—-●-l_●___-__-_I_l___--_-_I_-_-●_I_-_●_l___-————————————————一计算对象!：!!：：!：!：：!：：：．——二兰；_——三兰_一——Il—I-—__-—I-—_-—_●——ll—_-l——————————————一。优化方案1．201．141．181．191．151．194．3．3流态比较优化方案，各进／出水口流态基本相同，进／水口防涡梁上部水流平顺，流速分布均匀，水面无漩涡(图4-13)。优化方案和原方案发电工况流态均较好，未出现水流分离区。47加H舶HL跗∞斛c；O∞傩舯LO0踞％∞印印踮跖mO0O中右左中右左中J0之之之ooJ乏。弭∞弭仉0O肿曲肿蚪跖弛∞钞跚踮nO0O0中右左中右左中l23厶二xz二二}l23¨心" 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析0．00O．420。841。25’。672．092。51(a)1号进／出水121流态O．OO0．841．682．523．354。195．03(b)2号进／出水口流态图4．13优化方案进／出水口流态(工况：l}}2捍3}}4}f机组发电，单机流量62．43m3／s，库水位1373m)4．3．4流量分配比较根据各孔口垂线流速分布，计算了各进／出水口各孔口过流量。优化方案，1号进／出水口流量分配在26．36％36．84％之间(理想分流比33％)；2号进／出水口流量分配在26．86％,--36．97％，两侧孔口流量大于中间孔口流量，各孔口流量分配绘于图4．14，并列于表4．8。优化方案将四孔改为三孔后，发电工况时流量分配较均匀，各孔口间流量分配差小于10％，符合优化要求。l¨一“。：。i黛。1_、_¨“。一一_尊(a)l号进／出水口流量分配(b)2号进／出水口流量分配图4．14优化方案进／出水口流量分配(工况：l群2拌3槲拌机组发电，单机流量61．43m3／s，库水位1373m)48 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析4．4优化方案小结为方便起见，现将原方案和优化方案计算得到的水头损失、水头损失系数、流速不均匀系数以及各孔口流量分配进行总结小结，并列于表4-9(1)1号和2号进／出水口同时双机抽水，死水位1373m，单机流量51．OOm3／s。优化方案进／出水口水头损失系数是0．268，闸门井段水头损失系数是0．151。原方案进／出水口水头损失系数为O．300，闸门井段水头损失系数是0．151。优化方案的进／出水口段水头损失较原方案有所减小。在该工况下，优化方案进／出水口各孔口沿水深流速分布基本相同，两侧孔口流速小于中间孔口流速。原方案进／出水口各孑L口沿水深流速分布表现为两侧孔口主流较高，接近流道中心，中问孔口主流较低，中问孔口最大流速大于两侧孔口最大流速。优化方案和原方案进／出水口流速分布相比，优化方案各孔口流速分布曲线比较缓和，最大流速减小，说明扩散段顶板角度改变使抽水工况(出流)流道内流速分布更加均匀。优化方案1号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在O．59～0．67m／s范围，拦污栅处最大流速1．21m／s，各孔口流速不均匀系数为1．61～1．79。2号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在0．58～0．67m／s范围，拦污栅处最大流速1．21m／s各孔口流速不均匀系数为1．62～1．79。原方案拦污栅处最大流速1．76m／s，不均匀系数在2．05～2．47之间。优化方案和原方案拦污栅处流速分布作对比，优化方案拦污栅处流速分布更加均匀，最大流速减小，不均匀系数均小于2，较原方案有了较大改善。原方案中部分孑L口出现的负流速已经得到有效消除。扩散段项板角度改变对抽水工况(出流)拦污栅处流速分布的改善有明显效果。流态方面，优化方案各进／出水口流态基本相同，主流靠近进／出水口底部，扩散段顶盖板下部出现水流分离区，其范围自靠近调整段的防涡梁起，涉及约四分之一的扩散段。优化方案较原方案，扩散段顶盖板下部出现的水流分离区范围明显减小， 第四章优化方案进／出水口数值模拟成果与分析防涡梁段的反向流速消失。说明压低扩散段扩散角、增加调整段与增长扩散段长度使抽水工况流道内流态得到明显改善。流量分配方面，优化方案l号进／出水口流量分配在31．66％～36．44％之间(理想分流比33％)；2号进／出水口流量分配在31．68％～36．50％，中间孔口流量大于两侧孔口流量。原方案1号进／出水口流量分配在22．54％-27．67％之间，2号进／出水口双机抽水，流量分配在22．47％---27．85％之间，中间两个孔口流量大于两侧孔口流量。优化方案和原方案流量分配两者分布规律相似，中间孔口流量略大于两侧孔口流量。(2)l号和2号进／出水口同时双机发电，死水位1373m，单机流量62．43m3／s。优化方案进／出水口水头损失系数是0．194，闸门井段水头损失系数是0．144。原方案进／出水口水头损失系数为O．211，闸门井段水头损失系数是0．144。优化方案的进／出水口段水头损失较原方案有所减小。在该工况下，优化方案各孔口沿水深流速分布基本相同，中间孔口流速小于两侧孔口流速。原方案各孔口沿水深流速分布表现为主流较高，接近流道中心，中间孔口最大流速小于两侧孔口最大流速。优化方案和原方案孔El流速分布相比，优化方案各孔口最大流速减小，流道内流速分布变均匀。优化方案1号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在0．60～0．84m／s范围，拦污栅处最大流速1．00m／s，各孔口流速不均匀系数为1．14～1．20。2号进／出水口拦污栅处各孔口平均流速在O．60～0．84m／s范围，拦污栅处最大流速1．00m／s各孔口流速不均匀系数为1．15～1．19。原方案拦污栅处各孔口平均流速约0．64-0．92m／s，拦污栅处最大流速0．92m／s，不均匀系数在1．05～1．23之间。优化方案和原方案拦污栅处流速分布作对比，优化方案各孔口平均流速大于原方案，这是由于优化方案将孔口由四孔改为三孔，减小了过流总面积。流态方面，优化方案各进／出水口流态基本相同，进／zk口防涡梁上部水流平顺，流速分布均匀，水面无漩涡。优化方案和原方案发电工况流态均较好，未出现水流分离区。流量分配方面，优化方案1号进／出水口流量分配在26．36％～36．84％之间；2号进／出水口流量分配在26．86％～36．97％，两侧孔口流量大于中间孔口流量，优化方案将四孔改为三孔后，发电工况时流量分配较均匀，各孑L口间流量分配差小于10％，符合优化要求。 表4-9原方案与优化方案进／出水口主要参数一览表进／出水口段拦污栅处各孔口体型工况水头损失／最大流速／不均匀系数水头损失系数流量分配(％)双机抽水0．175m／0．3001．76m／s／2．05-2．4722．54％-27．67％原—方案‘。双机发电0．184m／0．2111．06m／s／1．05-1．2320．66％-29．39％双机抽水0．156m／0．2681．21m／s／1．61-1．7931．66％～36．44％优化方案双机发电0．169m／0．194O．84m／s／1．14-1．2026．36％～36．84％51 第五章结论与展望5．1原方案进／出水口第五章结论与展望(1)进／出水口水头损失系数抽水(出流)工况，进／出水口段水头损失系数为0．30，略小于国内同类型进／出水口的水头损失系数(十三陵0．35，广蓄0．39)；闸门井段水头损失系数为0．15。发电(进流)工况，进／出水口段水头损失系数为0．2l，与国内同类型进／出水口的水头损失系数(十三陵O．2l，广蓄0．19)基本相当；闸门井段水头损失系数为0．14。(2)进／出水口流态抽水(出流)工况，主流靠近进／出水口底部，扩散段顶盖板下部出现水流分离区，拦污栅断面有反向流速。发电(进流)工况，防涡梁上部水流平顺，水面无漩涡。(3)各孔口流速分布与流速不均匀系数l群2群3群4拌机组抽水(出流)工况，各孔口流速分布不均匀，1号进／出水口各孔口平均流速0．60-0．73m／s，流速数2．05-2．43，大于2，拦污栅断面上部有反向流速。1≠}2捍3}}4jfj}机组发电(进流)工况，各孔口流速分布均匀，1号进／出水口各孔口平均流速0．60m／s～0．84m／s，流速匀系数1．14～1．20。(4)各孔口流量分配l撑2样3拌4≠}机组抽水(出流)工况，各孔口流量分配较均匀。各孑L口分流比，1号进／出水口为22．54％--27．67％，2号进／出水口为22．47％-27．85％。l拌2群3群4拌机组发电(进流)工况，两侧孔口流量大于中间孔口流量。各孔口分流比，1号进出水口为20．66％-29．39％，2号进出水口为20．59％旷29．16％。鉴于抽水工况进／出水口扩散段顶盖板下部出现水流分离区、拦污栅断面有反向流速，需要对原方案扩散段进行优化。5．2优化方案进／出水口 第五章结论与展望(1)进／出水口水头损失系数抽水(出流)工况，进／出水口段水头损失系数为0．268，略小于国内同类型进／出水VI的水头损失系数(十三陵0．35，广蓄0．39)：闸f-j#段水头损失系数为0．151。发电(进流)工况，进／出水口段水头损失系数为0．197，与国内同类型进／出水口的水头损失系数(十三陵0．2l，广蓄0．19)基本相当；闸门井段水头损失系数为0．144。(2)进／出水口流态抽水(出流)工况，主流靠近进／出水口底部，扩散段顶盖板下部出现水流分离区。发电(进流)工况，防涡梁上部水流平顺，水面无漩涡。(3)各孔口流速分布与流速不均匀系数l撑2}}3≠}4j|j}机组抽水抽水(出流)工况，各孔口流速分布较均匀，l号进／出水口各孔口平均流速0．59～0．67m／s，最大流速1．21m／s，流速不均匀系数1．6l～1．79，小于2，拦污栅断面无反向流速。l≠}2撑3#4≠}机组发电(进流)工况，各孔口流速分布均匀，1号进／出水口各孔口平均流速0．60～0．84m／s，流速不均匀系数1．14-1．20。(4)各孔口流量分配1捍2群3拌4撑机组抽水(出流)工况，各孑L口流量分配较均匀。各孔口分流比，1号进／出水口为31．66％～36．44％，2号进／出水口为31．68％-36．50％。l}f2≠}3拌4#机组发电(进流)工况，两侧孔VI流量大于中间孔口流量。各孔口分流比，1号进出水口为26．36％～36．84％，2号进出水口为26．86％～26．97％。5．3展望本文针对敦化抽水蓄能电站上水库进／出水口进行了数值模拟，对原方案进行了优化。由于时间关系仅对死水位下1jfj}2#3}j}4jfi}机组抽水、发电工况进行了计算，为了更全面地研究优化方案的合理性，应进一步计算其他水位下运行情况。其次，本文在数值模拟方法上面也存在着不足。由于计算过程中采用的是矩形网格，计算模型只是近似接近于实际体型，因此在影响水流较大的部位计算结果可能会与实际流态有一定的出入。如何划分更合理的网格形式也是下一步需要研究与改进的地方。 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