底部設(shè)置隔壁式岔管的調(diào)壓室水力特性三維數(shù)值分析

黃靜之，周建旭，劉躍飛，張 健

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

在多機(jī)引水式水電站輸水系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)中，需要設(shè)置分岔管實(shí)現(xiàn)一洞兩機(jī)或者一洞多機(jī)的布置方式。分岔管是較為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，分岔管內(nèi)水流流態(tài)比較復(fù)雜，水頭損失較大，在整個(gè)水電站引水發(fā)電系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)中占重要地位[1]。不同于常用的分岔管結(jié)構(gòu)形式[2-4]，隔壁式岔管是一種特殊的分岔管形式[5-7]，與常規(guī)分岔管相比，隔壁式岔管在分岔處結(jié)構(gòu)完整，無(wú)相互切割，由于有隔壁支墩的支撐，結(jié)構(gòu)受力條件好[8]，可應(yīng)用于各種水頭的水電站工程。同時(shí)，在壓力管道分岔的特征斷面處設(shè)置調(diào)壓室是常見(jiàn)的布置方式，底部設(shè)置隔壁式岔管的調(diào)壓室系統(tǒng)水力特性復(fù)雜，調(diào)壓室底部的流態(tài)和水頭損失特性直接影響水力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，而在過(guò)渡過(guò)程中水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室的阻力特性亦直接影響調(diào)壓室反射水錘的效果和調(diào)壓室的涌浪特性。對(duì)于底部設(shè)置分岔管的調(diào)壓室系統(tǒng)，通過(guò)局部水力模型試驗(yàn)或三維數(shù)值模擬，能實(shí)現(xiàn)調(diào)壓室局部水流流態(tài)的模擬和水力損失特性的分析，兩者的分析成果可互為驗(yàn)證和校核，相比較而言，三維數(shù)值模擬能較為直觀地揭示調(diào)壓室局部的水流流態(tài)及其演化規(guī)律。

近年來(lái)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模擬研究分岔管水力特性以及調(diào)壓室阻力特性的研究取得了多方面的成果。毛根海等[9]結(jié)合卜型岔管不同工況下的水流流態(tài)和水頭損失特性等，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)研究成果良好的一致性；程永光等[10]結(jié)合兩機(jī)共用一室和三機(jī)共用尾水調(diào)壓室的底部管道交匯方式，采用CFD模擬技術(shù)對(duì)調(diào)壓室運(yùn)行時(shí)的流態(tài)和水頭損失進(jìn)行了模擬分析，并結(jié)合水力優(yōu)化計(jì)算闡明了調(diào)壓室底部交匯形式布置的相關(guān)問(wèn)題[10]；梁春光等[11]以月牙肋岔管為對(duì)象，結(jié)合三維數(shù)值模擬方法分析了肋寬比、分岔角等體型參數(shù)對(duì)分岔管水力特性的影響規(guī)律；林勁松等[12]采用Fluent軟件模擬了某水電站調(diào)壓室內(nèi)的三維流場(chǎng)，呈現(xiàn)了調(diào)壓室內(nèi)水位變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程；鄭文玲等[13]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相互驗(yàn)證的方法探求異型岔管的水力特性，結(jié)果表明數(shù)值模擬值均小于試驗(yàn)值，誤差不超過(guò)15%，且數(shù)值模擬結(jié)果更直觀反映了分岔管處流態(tài)分布以及壓強(qiáng)分布；丁寧等[14]采用VOF方法，對(duì)某水電站機(jī)組甩全負(fù)荷工況下調(diào)壓室內(nèi)涌浪過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性。以往的研究主要針對(duì)傳統(tǒng)分岔管形式和調(diào)壓室局部布置方式，結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)的水力特性分析，而針對(duì)隔壁式岔管的研究較少，對(duì)調(diào)壓室底部設(shè)置隔壁式岔管的研究更少。為此。本文針對(duì)底部設(shè)置隔壁式岔管的調(diào)壓室結(jié)構(gòu)，采用三維模擬技術(shù)較全面分析典型流態(tài)下調(diào)壓室結(jié)構(gòu)的水力特性，以期為調(diào)壓器水頭損失特性和局部的水流流態(tài)分析提供參考。

1 調(diào)壓室結(jié)構(gòu)三維建模

某引水式水電站設(shè)計(jì)發(fā)電流量136 m3/s，有壓引水隧洞洞線長(zhǎng)3.7 km，洞徑7.5 m，采用隔壁式岔管分岔成兩根支管，支管斷面為城門洞型斷面，其當(dāng)量直徑為5 m。如圖1(a)所示，在分岔點(diǎn)位置設(shè)置阻抗式調(diào)壓室，調(diào)壓室底部隧洞為矩形漸變斷面，由7.6 m×6 m(寬×高，斷面2)漸變到9 m×6 m(斷面3，矩形斷面后半部分被隔壁支墩分隔成兩個(gè)3.5 m×6 m斷面)。

圖1 隔壁式岔管平面布置和調(diào)壓室三維模型Fig.1 Plan view of partition-type bifurcated pipe and three-dimensional model of surge chamber

該設(shè)置隔壁式岔管的調(diào)壓室局部結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流場(chǎng)和流態(tài)較為復(fù)雜，其阻抗孔口水頭損失系數(shù)與分岔管處流道的幾何形狀和調(diào)壓室局部的流場(chǎng)等因素密切相關(guān)。調(diào)壓室大井?dāng)嗝嬷睆綖?5.4 m，有效面積為177 m2，兼做阻抗孔口的兩個(gè)閘門孔為梯形，有效面積均為28 m2。利用GAMBIT軟件建模(圖1(b))及網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證表明當(dāng)網(wǎng)格間距小于0.4 m時(shí)對(duì)局部阻力損失系數(shù)的計(jì)算結(jié)果基本沒(méi)有影響，因此網(wǎng)格間距設(shè)置為0.4 m。采用網(wǎng)格自動(dòng)生成技術(shù)生成網(wǎng)格，網(wǎng)格大小一致，在調(diào)壓室流道與阻抗孔口連接部分采用四面體網(wǎng)格，其他規(guī)則部位則采用六面體網(wǎng)格。以Fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件為平臺(tái)[15]，采用計(jì)算流動(dòng)類型較為廣泛、結(jié)果與真實(shí)湍流情形吻合較好的Realizablek-ε湍流模型[16]模擬計(jì)算，離散方法為有限體積法，動(dòng)量、耗散率采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力-速度耦合計(jì)算采用SIMPLEC算法，采用基于壓力分離式的求解器求解，管壁設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，壁面粗糙厚度設(shè)置為0.03 mm。

1.1 基本控制方程

Realizablek-ε湍流模型計(jì)算逆壓力梯度、射流擴(kuò)散率以及模擬分離、回流和旋轉(zhuǎn)時(shí)有較高的精度，且收斂速度較快，基本方程[17]為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：t——時(shí)間；xj、μj——j方向上的坐標(biāo)分量和流速分量；P——壓力；ν——運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；Bi——單位體積力；k——湍動(dòng)能；ρ——水的密度；Gk、Gb——平均速度梯度和浮力的湍動(dòng)產(chǎn)生項(xiàng)；YM——可壓縮流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；其他參數(shù)含義可參見(jiàn)文獻(xiàn)[18]。

1.2 水力損失特性與調(diào)壓室阻抗孔口的流量系數(shù)

(5)

式中：ΔHij——控制斷面i和j之間的水頭差；Zi、Zj——控制斷面i、j的高程；Pi、Pj——控制斷面i、j的壓強(qiáng)；vi、vj——控制斷面i、j的流速；v—特征斷面流速；g——重力加速度；ξij——控制斷面i和j之間的水頭損失系數(shù)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室時(shí)的局部水頭損失可由下式[1]計(jì)算得到：

(6)

式中：ΔH——水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室的水頭損失值；φ——水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室的流量系數(shù)；Ac——阻抗孔口面積。

單機(jī)運(yùn)行時(shí)，聯(lián)立式 (5)和式 (6)可得轉(zhuǎn)換后的流量系數(shù)φij為

(7)

式中：A——調(diào)壓室基準(zhǔn)斷面面積。當(dāng)雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)，考慮支管水流全部流進(jìn)調(diào)壓室，或調(diào)壓室水流全部流向支管，則有：

(8)

圖2 4種典型的模擬流態(tài)Fig.2 Four typical flow regimes

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 模擬工況

數(shù)值模擬工況包括機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)電時(shí)水流流經(jīng)調(diào)壓室底部[19]，以及在機(jī)組增、減負(fù)荷和棄荷工況下，調(diào)壓室水位上升和下降時(shí)水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室時(shí)的情況。本文主要對(duì)其中4種典型的分流/合流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]推薦的計(jì)算調(diào)壓室局部水頭損失的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相比較。4種典型的流態(tài)如圖2所示，流態(tài)1～4對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)流速分別為v0、v1(v2)、v1(v2)、v0，其中斷面0為發(fā)電引水隧洞特征斷面，斷面i(i=1,2)為1號(hào)和2號(hào)發(fā)電引水支管的特征斷面，斷面3為調(diào)壓室井體的控制斷面。

以調(diào)壓室中心線為基準(zhǔn)，調(diào)壓室上下游管道的控制斷面選在對(duì)應(yīng)管徑5倍距離處，調(diào)壓室內(nèi)控制斷面選在調(diào)壓室直徑5倍距離處。流態(tài)1和2模擬調(diào)壓室水位上升的情況,流態(tài)3和4模擬調(diào)壓室水位下降的情況。

表1 水流全部流進(jìn)/流出調(diào)壓室的水頭損失系數(shù)和流量系數(shù)

2.2 調(diào)壓室局部水頭損失系數(shù)

針對(duì)圖2給出的4種流態(tài)進(jìn)行調(diào)壓室局部水頭損失特性的數(shù)值模擬分析，單機(jī)組運(yùn)行時(shí)額定流量為68 m3/s，雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)額定流量為136 m3/s。各工況計(jì)算分析中，對(duì)應(yīng)水流全部流進(jìn)/流出調(diào)壓室(分流比等于1)的情況，分別給出CFD模擬分析得到的水頭損失系數(shù)和按式(7)或(8)轉(zhuǎn)化得到的調(diào)壓室阻抗孔口流量系數(shù)如表1所示。

單機(jī)組運(yùn)行或雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)在流態(tài)1(分流)、流態(tài)4(合流)不同分流比情況下各控制斷面之間的水頭損失系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。兩種流態(tài)分流比定義為Qi/Q0(下標(biāo)代表控制斷面)，當(dāng)雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)分流比為兩支管流量之和除以Q0。

由表1和圖3可知：隨著分流比增大，單機(jī)組運(yùn)行時(shí)水流流經(jīng)調(diào)壓室底部的水頭損失系數(shù)明顯大于雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)的水頭損失系數(shù)，且流態(tài)4中單機(jī)組運(yùn)行時(shí)水頭損失系數(shù)呈上升趨勢(shì)，而雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)水頭損失系數(shù)呈下降趨勢(shì)，這是由于單機(jī)組運(yùn)行時(shí)隨著分流比增大，分岔處水流流速變大因而動(dòng)能損失增大，雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)隨著分流比增大，分岔處流態(tài)趨于平順，流經(jīng)調(diào)壓室底部水頭損失減??；單機(jī)組或雙機(jī)組運(yùn)行條件下，隨著水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室流量的分流比增大，ξ03和ξ30均逐步趨于一致，即水流從引水隧洞全部流進(jìn)調(diào)壓室或水流由調(diào)壓室全部流向引水隧洞的水頭損失系數(shù)基本一致，相差在1.5%以內(nèi)，此時(shí)，水流全部流進(jìn)/流出調(diào)壓室的水頭損失系數(shù)大小與流量無(wú)關(guān)，只與調(diào)壓室及其底部分岔管體型、水流方向有關(guān)，且在數(shù)值模擬中流道尺寸和水流雷諾數(shù)足夠大，水流進(jìn)入了阻力平方區(qū)。對(duì)于流態(tài)2、3，單機(jī)組運(yùn)行，水流全部流進(jìn)/流出調(diào)壓室時(shí)的水頭損失系數(shù)明顯小于雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)的水頭損失系數(shù)，這主要是因?yàn)?號(hào)和2號(hào)發(fā)電引水支管的流道在調(diào)壓室底部是連通的，單機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水流可以從兩個(gè)閘門孔流進(jìn)/流出調(diào)壓室，相當(dāng)于阻抗孔的面積增大了1倍且雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)水流更加平順；對(duì)比水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室的流量系數(shù)，總體上水流流出調(diào)壓室的流量系數(shù)大于水流流進(jìn)調(diào)壓室的流量系數(shù)。

圖3 調(diào)壓室水頭損失系數(shù)與分流比關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between head loss coefficient and split ratio of surge chamber

由表1可知：利用CFD三維模擬，水流全部流進(jìn)/流出調(diào)壓室的水頭損失系數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的阻抗孔口流量系數(shù)時(shí)，基本上位于SL 655—2014《水利水電工程調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的0.6～0.8區(qū)間范圍內(nèi)，整體上偏大，驗(yàn)證了利用CFD研究分岔管水力特性以及調(diào)壓室系數(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也表明，對(duì)于底部設(shè)置隔壁式岔管的調(diào)壓室系統(tǒng)而言，水流通過(guò)阻抗孔口流進(jìn)/流出調(diào)壓室的流量系數(shù)相對(duì)較大，反射水錘的效果相對(duì)較優(yōu)。進(jìn)一步利用CFD模擬正常運(yùn)行工況下水流正/反向流經(jīng)調(diào)壓室底部的水頭損失系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水流流經(jīng)調(diào)壓室底部的水頭損失系數(shù)

由表2可知：?jiǎn)螜C(jī)組運(yùn)行時(shí)，水流流經(jīng)調(diào)壓室底部的水頭損失系數(shù)略大于雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)的水頭損失系數(shù)，這是由于兩條引水支管同時(shí)運(yùn)行時(shí)，水流更加平順；由于流道不對(duì)稱，在引水支管單管運(yùn)行時(shí)，斷面0至斷面1與斷面0至斷面2之間的水頭損失系數(shù)相差較大；水流正/反向流經(jīng)調(diào)壓室底部水頭損失系數(shù)相差不大，說(shuō)明了隔壁式岔管雙向流態(tài)較好。

在不同的運(yùn)行條件下，水流流經(jīng)調(diào)壓室底部的水頭損失系數(shù)存在明顯的差別，說(shuō)明在恒定流流態(tài)時(shí)水流流經(jīng)調(diào)壓室底部的水頭損失系數(shù)與分岔管流道體型以及水流方向密切相關(guān)，圖4和圖5分別給出了雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)水流正/反向流經(jīng)調(diào)壓室底部的壓力云圖和速度云圖。

圖4 水流流經(jīng)調(diào)壓室底部壓力云圖(單位：kPa)Fig.4 Pressure nephograms of water flowing through the bottom of surge chamber(units:kPa)

圖5 水流流經(jīng)調(diào)壓室底部速度云圖(單位：m/s)Fig.5 Velocity nephograms of water flowing through the bottom of surge chamber(units:m/s)

由表2和圖4、圖5可知：當(dāng)水流正向經(jīng)過(guò)調(diào)壓室底部和隔壁式岔管進(jìn)入兩根引水支管時(shí)，流態(tài)穩(wěn)定，在正對(duì)水流方向的分岔點(diǎn)處水流沖擊壁面，流速減小壓力升高，總體上水流進(jìn)入2號(hào)引水支管轉(zhuǎn)彎較大，局部流速相對(duì)較大，壓力分布和流速分布較不均勻，導(dǎo)致水流由引水隧洞至2號(hào)引水支管的局部水頭損失明顯偏大；當(dāng)兩根引水支管水流反向經(jīng)過(guò)隔壁式岔管和調(diào)壓室底部合流至引水隧洞時(shí)，2號(hào)引水支管水流在分岔點(diǎn)處沖擊管壁面，局部流速減小壓力升高，而后受離心力作用，2號(hào)引水支管水流進(jìn)入引水隧洞時(shí)水流流速明顯增大，流速分布不均勻，導(dǎo)致水流由2號(hào)引水支管至引水隧洞的局部水頭損失較大。

3 結(jié) 論

a. 水流全部流進(jìn)/流出調(diào)壓室阻抗孔口的流量系數(shù)基本上位于規(guī)范0.6～0.8區(qū)間內(nèi)，整體上偏大，表明對(duì)于底部設(shè)置隔壁式岔管的調(diào)壓室結(jié)構(gòu)而言，水流通過(guò)阻抗孔口流進(jìn)/流出調(diào)壓室的流量系數(shù)相對(duì)較大，反射水錘的效果相對(duì)較優(yōu)。

b. 水流正/反向經(jīng)過(guò)隔壁式岔管的水頭損失系數(shù)較小，且水流反向流經(jīng)隔壁式岔管的水頭損失系數(shù)均小于水流反向流經(jīng)隔壁式岔管的水頭損失系數(shù)，反向過(guò)流能力較好，但相差不大。

c. 隔壁式岔管分岔局部雙向過(guò)流流態(tài)均較好，流場(chǎng)流線均比較平順，無(wú)明顯渦流和紊動(dòng)，可合理應(yīng)用于各種水頭的引水式水電站中。

d. 用三維模擬技術(shù)研究水流流進(jìn)/流出調(diào)壓室以及水流流經(jīng)隔壁式岔管的水損失系數(shù)是可行的。