輸水隧洞坡角對側式進-出水口水力特性影響研究

1、    輸水隧洞坡角對側式進/出水口水力特性影響研究    高學平 毛長貴 孫博聞 張翰摘要：抽水蓄能電站側式進/出水口具有雙向過流的特點，進/出水口自身體型參數(shù)對其水力特性具有很大的影響，但連接的輸水隧洞布置型式也同樣會影響進/出水口水力特性，若輸水隧洞布置不恰當，將可能導致進/出水口出現(xiàn)不利的水力特性。利用rsm紊流模型，以某側式進/出水口為研究對象，在進/出水口體型不變的前提下，研究出流工況不同隧洞坡角對進/出水口內(nèi)部流態(tài)、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)、水頭損失系數(shù)及流量分配等水力特性的影響。結果表明，當隧洞坡角等于擴散段垂向擴散角時，進/出水口內(nèi)部流

2、態(tài)較好，反向流速區(qū)的沿程范圍、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)及水頭損失系數(shù)均最小。因此，當進/出水口擴散段垂向擴散角不大且各隧洞坡角均滿足地形、地質條件的情況下，隧洞坡角等于擴散段垂向擴散角時，可獲得較優(yōu)的水力特性。關鍵詞：側式進/出水口;出流;隧洞坡角;擴散段垂向擴散角;水力特性中圖分類號：tv131文獻標志碼：aabstract：the side inlet/outlet of pumped storage power station has bidirectional flow characteristics.the shape parameters of the side inlet/out

3、let have a great influence on its hydraulic characteristics，though the layout of the connected water conveyance tunnel will also affect the hydraulic characteristics of the side inlet/outlet.if the layout of the water conveyance tunnel is not reasonable，it may lead to hydraulic characteristics adver

4、se to the inlet/outlet.the paper investigated the influences of different tunnel slope on the hydraulic characteristics of the inlet/outlet on the condition of outflow using the turbulence model of rsm for a side inlet/outlet，given that the shape of the inlet and outlet remained the same. then the c

5、ondition of outflow included the flow pattern，non-uniformity of flow velocity，the head loss coefficient and the flow distribution.the results showed that when the tunnel slope equaled the vertical diffusion angle of the diffusion section，the flow pattern in the inlet/outlet could be improved.the ran

6、ge and volume ratio of the reverse flow velocity area was the smallest，non-uniformity coefficient of flow velocity and the head loss coefficient were the smallest.therefore，when the vertical diffusion angle of the inlet/outlet diffusing section was not large and each tunnel slope satisfied the topog

7、raphy and geological conditions，the tunnel slope was equal to the vertical diffusion angle of the diffusing section to obtain better hydraulic characteristics.key words：side inlet/outlet;outflow;tunnel slope;vertical diffusion angle of the diffusion section;hydraulic characteristics抽水蓄能電站側式進/出水口是連接輸

8、水隧洞和庫區(qū)的重要水工建筑物，具有雙向過流的特點。出流時隧洞內(nèi)的水流經(jīng)進/出水口擴散流至水庫;進流時水庫內(nèi)的水流經(jīng)進/出水口收縮流進隧洞。若進/出水口體型設計不當，將會增大進/出水口的水頭損失;對于出流，在攔污柵斷面可能出現(xiàn)局部流速過大，甚至反向流速，導致攔污柵因流激振動而產(chǎn)生破壞1-3。為了獲得更優(yōu)的水力特性，國內(nèi)學者在側式進/出水口體型參數(shù)對水力特性影響方面已經(jīng)做了大量的研究。蔡付林等4通過模型試驗研究了三分流墩四流道的進/出水口，指出分流墩體型布置對進/出水口流量分配和流速分布等有明顯影響，應布置成中間分流墩短、兩側分流墩長且起始于擴散段起始斷面。沙海飛等5通過數(shù)值模擬研究了二分流墩三流

9、道的進/出水口，指出分流墩間距比應取34kg-*2kg-*432kg-*2kg-*434。高學平等6通過數(shù)值模擬，指出對于四通道進/出水口，調(diào)整擴散段分流墩中邊孔寬度比、中墩墩頭較邊墩墩頭縮進距離、擴散段長度等能有效改善流量不均勻程度。章軍軍等7通過模型試驗研究了短式進/出水口，提出分流墩內(nèi)伸到擴散段始端，四流道改為三流道等措施可改善流速分布、流量分配及水頭損失等水力特性。高學平等8通過數(shù)值模擬，指出擴散段水平擴散角和調(diào)整段長度對進/出水口的水頭損失和孔口流態(tài)有決定的影響。王晨茜等9通過數(shù)值模擬，研究了擴散段垂向擴散角和水平擴散角對流動分離的重要程度，指出垂向擴散角對減弱流動分離、消除攔污柵斷

10、面反向流速起主導作用。高學平等10-12等通過cfd模擬與優(yōu)化算法的結合建立了進/出水口體型自動優(yōu)化平臺，以指定的水力指標為目標，通過體型參數(shù)的變化自動找出最優(yōu)體型。綜上可知，側式進/出水口體型參數(shù)變化對其水力特性有很大的影響，但進/出水口后連接的隧洞布置型式同樣影響進/出水口水力特性。孫雙科等13通過模型試驗指出隧洞段采用彎道布置，且彎道與擴散段之間的過渡段長度不足使攔污柵斷面垂向流速分布呈“上大下小”的趨勢，并在靠近底板處產(chǎn)生反向流速。沙海飛等5通過數(shù)值模擬指出平面彎道或立面彎道形成的二次環(huán)流會影響進/出水口的流量分配。張從聯(lián)等14通過模型試驗指出為消除一個立面彎道帶來的偏流問題，可在距離

11、進/出水口13d的位置設置兩個對稱的立面彎道，進/出水口頂部將不會出現(xiàn)流速過大情況。因此若輸水隧洞布置不恰當，也可能導致進/出水口在出流時產(chǎn)生不利的水力特性，關于輸水隧洞的布置型式對進/出水口水力特性的影響值得關注及研究。hj2mm抽水蓄能電站在進行洞線布置時力求保持直線，但由于地質、地形條件限制，隧洞路線往往布置成折線15。統(tǒng)計已建成的抽水蓄能電站，如十三陵、西龍池、天荒坪、廣州一期及張河灣等多個工程隧洞布置均有縱向坡度15-16。因此，本文利用rsm紊流模型，以某側式進/出水口為研究對象，在保證進/出水口體型不變的前提下，針對出流工況，研究隧洞坡角不同對進/出水口水力特性的影響，研究成果將

12、對側式進/出水口的設計具有指導意義。1 數(shù)學模型建立與驗證1.1 控制方程及求解方法側式進/出水口內(nèi)流動按不可壓縮流動處理，連續(xù)方程和動量方程見文獻17，并采用rsm紊流模型來封閉控制方程。本文采用商用軟件fluent進行計算，方程求解采用有限體積法，空間離散采用二階迎風格式，壓力速度耦合采用simple算法。1.2 模型建立某側式進/出水口輸水隧洞直徑為7.2 m。3個分流墩將流道分為4孔（1-1至1-4），底板高程280.5 m，每孔過流孔口高度8.7 m、寬度6.3 m。擴散段長度為36 m，立面為單向擴散，垂向擴散角為2.4°，平面為雙向擴散，水平擴散角為34.3°

13、，分流墩末端中邊孔寬度比為0.2290.271，隧洞坡角為0°。圖1為該側式進/出水口體型，xy平面原點選在中間分流墩起始端（防渦梁側），z平面原點選在進/出水口底板防渦梁側。計算區(qū)域包括隧洞、進/出水口、庫區(qū)三部分。出流時，水體由隧洞進入進/出水口，在進/出水口做垂向及橫向擴散后流向庫區(qū)。庫區(qū)邊界依據(jù)水庫水位按靜水壓強給出，隧洞邊界依據(jù)流量按平均流速給出。固壁邊界采用無滑移條件;水庫液面為自由表面。進/出水口體型采用結構化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長0.3 m，總網(wǎng)格數(shù)1 628.3萬。圖2為計算網(wǎng)格。1.3 模型驗證為進行模型驗證，本文對上述體型進行了數(shù)值模擬，計算條件為死水位298.0

14、 m、出流流量2×80.8 m3/s，隧洞雷諾數(shù)re=2.8×107，得到了進/出水口流量分配和攔污柵斷面流速分布，并將結果與模型試驗進行了比較。表1為進/出水口流量分配，圖3為邊、中孔攔污柵斷面中垂線流向流速分布。數(shù)值模擬結果值與試驗值吻合較好，rsm紊流模型能夠用于側式進/出水口水力特性的研究。2 模擬結果及分析為研究隧洞坡角對側式進/出水口水力特性的影響，采用上述進/出水口體型參數(shù)，通過改變不同隧洞坡角=0.0°、=2.0°、=2.4°、=3.0°、=4.0°、=6.0°、=8.0°，來研究出流工況

15、下內(nèi)部流速場、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)、流量分配和水頭損失系數(shù)等水力特性的變化規(guī)律。計算條件：死水位298.0 m、出流流量2×80.8 m3/s，隧洞雷諾數(shù)re=2.8×107。由于體型對稱，邊孔1-1和1-4、中孔1-2和1-3的結果相同，因此后文以邊孔1-1、中孔1-2為例給出計算結果。2.1 內(nèi)部流速場圖4為邊孔典型斷面流速云圖。黑粗線表示流速為零的等值線。結果表明，（1）在斷面x=60 m至斷面x=40 m，隧洞坡角=0.0°8.0°范圍，流速分布基本一致，即在斷面x=60 m（擴散段進口），主流位于孔口中間;在斷面x=50 m至x=45 m，

16、主流貼附在兩側分流墩邊壁;在斷面x=25 m，隧洞坡角=0.0°4.0°范圍，主流繼續(xù)貼附在兩側分流墩邊壁，而隧洞坡角=6.0°8.0°范圍，主流轉移至兩側分流墩與頂板的夾角;在斷面x=10 m（攔污柵斷面），隧洞坡角=0.0°4.0°范圍，斷面流速整體分布較為均勻，而隧洞坡角=6.0°8.0°范圍，斷面流速呈上部流速大，下部流速小的趨勢。（2）隧洞坡角=0.0°4.0°范圍，邊孔內(nèi)部流態(tài)良好，無反向流速區(qū);而隧洞坡角=6.0°8.0°，在底部產(chǎn)生反向流速區(qū)，但在攔污柵斷面（

17、x=10 m）反向流速區(qū)消失。hj1.97mm圖5為中孔典型斷面流速云圖。黑粗線表示流速為零的等值線。結果表明，（1）隧洞坡角=0.0°8.0°范圍，各斷面主流在橫向上基本位于中孔中部，在垂向上隨著隧洞坡角的增大，主流位置不斷上移。（2）在隧洞坡角=0.0°，反向流速區(qū)在頂部產(chǎn)生發(fā)展直至消失，而隧洞坡角=2.0°8.0°范圍，反向流速區(qū)在底部產(chǎn)生發(fā)展直至減弱或消失，這是由于隨著隧洞坡角的增大，主流逐漸上移，使得頂部流動分離逐漸被抑制，而底部流動分離逐漸發(fā)展。2.2 反向流速區(qū)量化分析2.3 流速不均勻系數(shù)圖7為進/出水口邊孔和中孔攔污柵斷面流速

18、不均勻系數(shù)，具體數(shù)據(jù)列于表3。結果表明，隨著隧洞坡角的增大，邊孔和中孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)先減小后增大，邊孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)由1.50逐漸減小，當隧洞坡角等于垂向擴散角=2.4°時，邊孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)達到最小值（1.42），隨后逐漸增大到2.44;中孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)由1.81逐漸減小，當在隧洞坡角等于垂向擴散角=2.4°時，中孔攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)達到最小值（1.71），隨后逐漸增大到3.01。2.4 流量分配與水頭損失系數(shù)表4列出了進/出水口流量分配和水頭損失計算結果。圖8為邊、中孔流量分配。結果表明，隨著隧洞坡角的增大，邊孔流量分配先

19、減小后增大，而中孔流量分配先增大后減小。邊孔流量分配由20.08%逐漸減小，當隧洞坡角等于垂向擴散角=2.4°時，邊孔流量分配達到最小值（19.55%），隨后逐漸增大到21.88%;中孔流量分配由29.92%逐漸增大，當在隧洞坡角等于垂向擴散角=2.4°時，邊孔流量分配達到最大值（30.45%），隨后逐漸減小到28.14%。圖9為進/出水口水頭損失系數(shù)。結果表明，隨著隧洞坡角的增大，水頭損失系數(shù)先減小后增大，水頭損失系數(shù)由0.350逐漸減小，當在隧洞坡角等于垂向擴散角=2.4°時，水頭損失系數(shù)達到最小值（0.348），之后逐漸增大到0.369。3 結論考慮隧洞坡角

20、對側式進/出水口水力特性的影響，本文以某擴散段垂向擴散角為2.4°的側式進/出水口為研究對象，利用rsm紊流模型進行專門研究。當進/出水口擴散段垂向擴散角不大的情況下，且各隧洞坡角均滿足地形、地質條件下，研究成果可供類似側式進/出水口設計提供參考。（1）當隧洞坡角等于擴散段垂向擴散角時，進/出水口內(nèi)部流態(tài)較好，反向流速區(qū)的沿程范圍最小，攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)和水頭損失系數(shù)最小。（2）當隧洞坡角小于擴散段垂向擴散角時，隨著隧洞坡角的增大，反向流速區(qū)的沿程范圍、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)和水頭損失系數(shù)均逐漸減小。（3）當隧洞坡角大于擴散段垂向擴散角時，隨著隧洞坡角的增大，反向流速區(qū)的沿程

21、范圍、攔污柵斷面流速不均勻系數(shù)和水頭損失系數(shù)均逐漸增大。（4）當隧洞坡角等于擴散段垂向擴散角時，進/出水口可以獲得較優(yōu)的水力特性。hj1.7mm參考文獻（references）：1 才君眉，陳鸚.天荒坪抽水蓄能電站攔污柵旋渦脫落模型試驗研究j.水力發(fā)電學報，1996（3）：15-23.（cai j m，chen y.a study on the vortex shading behind trashracks of a pumped-storage stationj.journal of hydroelectric engineering，1996（3）：15-23.（in chinese）2

22、 王光綸，張文翠，李未顯.抽水蓄能電站攔污柵結構振動特性模型試驗研究j.清華大學學報（自然科學版），2001，41（2）：114-118.（wang g l，zhang w c，li w x.experiment study of the free vibration characteristics of the trashrack of the tianhuangping pumped-storage stationj.journal of tsinghua university （sci &tech），2001，41（2）：114-118.（in chinese）3 張紹春，趙鐘民

23、，陳兆新.邦朗電站進水口攔污柵振動試驗研究j.水力發(fā)電學報，2003（1）：76-82.（zhang s c，zhao z m，chen z x.vibration test and study on trash rack of power intake at paunglaung hydropower projectj.journal of hydroelectric engineering，2003（1）：76-82.（in chinese）4 蔡付林，胡明，張志明.雙向水流側式進出水口分流墩研究j.河海大學學報（自然科學版），2000，28（2）：74-77.（cai f l，hu m，

24、zhang z m.study on guide piers in flank inlet-outlet with double flow directionsj.journal of hohai university（natural science），2000，28（2）：777.（in chinese）5 沙海飛，周輝，黃東軍.抽水蓄能電站側式進/出水口數(shù)值模擬j.水力發(fā)電學報，2009，28（1）：84-88.（sha h f，zhou h，huang d j.numerical simulation on the side inlet/outlet of pumped storage

25、power stationj.journal of hydroelectric engineering，2009，28（1）：84-88.（in chinese）6 高學平，李岳東，田野，等.抽水蓄能電站側式進/出水口流量分配研究j.水力發(fā)電學報，2016，35（6）：87-94.（gao x p，li y d，tian y，et al.flow distribution in side intake/outlet tunnel of pumped storage power stationsj.journal of hydroelectric engineering，2016，35（6）：8

26、7-94.（in chinese） doi：10.11660/slfdxb.20160611.7 章軍軍，毛欣煒，毛根海，等.側式短進出水口水力試驗及體型優(yōu)化j.水力發(fā)電學報，2006，25（2）：38-41.（zhang j j，mao x w，mao g h，et al.experimental research and shape optimization on lateral short inlet/outletj.journal of hydroelectric engineering，2006，25（2）：38-41.（in chinese）8 高學平，葉飛，宋慧芳.側式進/出水口

27、水流運動三維數(shù)值模擬j.天津大學學報，2006，39（5）：518-522.（gao x p，ye f，song h f.3d numerical simulation on the flow in side inlet/outletj.journal of tianjin university，2006，39（5）：518-522.（in chinese）9 王晨茜，張晨，張翰，等.側式進/出水口流動分離現(xiàn)象研究j.水力發(fā)電學報，2017，36（11）：73-81.（wang c x，zhang c，zhang h，et al.flow separation in side inlets/o

28、utlets of pumped storage power stationsj.journal of hydroelectric engineering，2017，36（11）：73-81.（in chinese） doi：10.11660/slfdxb.20171108.10 gao x p，tian y，sun b w.shape optimization of bi-directional flow passage components based on a genetic algorithm and computational fluid dynamicsj.engineering

29、optimization，2017：1-17.doi：10.1080/0305215x.2017.1400543.11 gao x p，tian y，sun b w.multi-objective optimization design of bidirectional flow passage components using rsm and nsga ii：a case study of inlet/outlet diffusion segment in pumped storage power stationj.renewable energy，2018，115：999-1013.doi

30、：10.1016/j.renene.2017.09.011.12 高學平，李建國，孫博聞，等.利用多島遺傳算法的側式進/出水口體型優(yōu)化研究j.水利學報，2018，49（2）：186-194.（gao x p，li j g，sun b w，et al.optimization of the shape of lateral intake/outlet using muti-island genetic algorithmj.journal of hydraulic engineering，2018，49（2）：186-194.（in chinese） doi：10.13243/ki.slxb.20170650.13 孫雙科，柳海濤，李振中，等.抽水蓄能電站側式進/出水口攔