分岔角對岔管水力特性的影響研究

趙迎潔，李 妍，張 韻，胡齡方

(天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300384)

0 引 言

岔管是抽水蓄能電站常用的引水建筑物，其管內(nèi)水流具有雙向流動的特點，流態(tài)復(fù)雜，岔管處能量損失往往占據(jù)整個引水系統(tǒng)的主要部分[1]，因此研究岔管的合理體型十分必要。鑒于物理模型試驗具有模型占用場地大，費用高，試驗周期長等缺點，近年來，數(shù)值模擬方法也已成為研究岔管水力特性的重要手段之一。如楊校禮[2]對三岔管內(nèi)水流運動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并分別討論了肋寬比、分岔角、管徑比及流量對岔管水頭損失的影響；馮艷等[3]采用數(shù)值模擬方法對非對稱Y形和對稱Y形兩種岔管體型，從水頭損失、流態(tài)分布等方面進(jìn)行了對比分析；陳青生等[4]采用數(shù)值模擬方法研究了抽水蓄能電站同發(fā)同抽等流量運行工況下岔管的水力特性；任煒辰[5]等通過數(shù)值模擬方法，對比分析設(shè)置圓弧形、直線倒角體型岔管的水力特性，從水流流態(tài)、泄流能力等方面進(jìn)行了研究。

依據(jù)現(xiàn)有研究成果，很多學(xué)者已經(jīng)分析了分岔角對岔管水力特性的影響[6-7]，但研究成果多是針對雙機發(fā)電、雙機抽水的工況，而岔管還存在著單機運行的情況，因此文章針對各種可能出現(xiàn)的工況，采用數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)研究保持岔管其他體型參數(shù)不變只改變分岔角度，岔管水頭損失及水流流態(tài)的變化規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

1)連續(xù)性方程：

(1)

2)動量方程：

(2)

3)x方程：

(3)

4)ε方程：

(4)

上述方程中，τij為Reynolds應(yīng)力項；Si,j為時均應(yīng)變率；k為湍動能；ε為湍動耗散率；μt為湍動黏度；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；σε和σk為k、ε方程的湍流Prandtl數(shù)，在Fluent中，取默認(rèn)值常數(shù)，σε=1.2；σk=1.0。

模型求解采用有限體積法，壓力—速度耦合采用SIMPLE算法，邊壁處理采用壁函數(shù)法。

1.2 計算模型及邊界條件

岔管計算模型，見圖1。模型整體采用混合網(wǎng)格，其中管道采用六面體網(wǎng)格，岔管分岔處采用三角形加密網(wǎng)格，岔管處網(wǎng)格圖，見圖2。發(fā)電工況時，主管上游50m斷面為進(jìn)流邊界，各支管下游50m斷面為出流邊界；抽水工況剛好相反。進(jìn)流邊界設(shè)為流速進(jìn)口，以斷面平均流速給定；出流邊界設(shè)為自由出流，以大氣壓強給定。

圖1 岔管計算模型 圖2 岔管處網(wǎng)格圖

2 計算結(jié)果分析

2.1 計算工況

分岔角是由兩支管軸線相交形成的夾角，記為θ。保持其他體型參數(shù)不變的條件下，取分岔角在65°～90°之間進(jìn)行研究，探討分岔角與岔管水力特性的關(guān)系。計算工況，見表1。

表1 計算工況

2.2 發(fā)電工況

2.2.1 水頭損失

因岔管體型對稱，主管與兩支管間的水流變化規(guī)律基本相同，因此文章僅對支管1進(jìn)行討論。根據(jù)能量方程計算岔管水頭損失，水頭損失系數(shù)計算公式為ξ1-0=2gh1-0/v02其中h0-1表示0-1斷面間水頭損失(見圖1)，計算斷面分別取，v0表示主管水流流速。

分岔角與水頭損失系數(shù)的關(guān)系(發(fā)電工況)，見圖3。為雙機發(fā)電和單機發(fā)電工況下，分岔角與水頭損失系數(shù)的關(guān)系。隨分岔角增大，雙機發(fā)電工況下，岔管水頭損失系數(shù)亦略有增加；而單機發(fā)電工況下，岔管水頭損失系數(shù)明顯減小。

圖3 分岔角與水頭損失系數(shù)的關(guān)系(發(fā)電工況)

2.2.2 水流流態(tài)

雙機發(fā)電時，在各工況下，水流由主管流入支管，主管內(nèi)流速均勻，主流集中在管中心位置，水流進(jìn)入岔管處水流發(fā)生分流，在肋板附近形成流速較小的區(qū)域，水流進(jìn)入支管后，由于水流的慣性作用，水流偏向支管內(nèi)側(cè)。水流在岔管處發(fā)生流線的轉(zhuǎn)折，隨著分岔角的增大，流線轉(zhuǎn)折加劇，同時進(jìn)入支管后水流流速分布越不均勻，隨著主流偏離管道中心線的程度加大，引起岔管水頭損失的增大。

單機發(fā)電時，在各工況下，水流由主管流入支管，越靠近岔管位置處，主管內(nèi)斷面流速分布越不均勻，主流偏向于運行支管一側(cè)，同時進(jìn)入支管后水流明顯偏向支管外側(cè)。因水流摩擦作用，在停機支管一側(cè)產(chǎn)生回流區(qū)，同時在運行支管一側(cè)，月牙肋板后產(chǎn)生水流分離區(qū)，且隨著分岔角的增加，分離區(qū)范圍明顯縮小，從而引起水頭損失的減小。

2.3 抽水工況

2.3.1 水頭損失

根據(jù)能量方程計算岔管水頭損失，水頭損失系數(shù)計算公式為：

ξ1-0=2gh1-0/v02

(5)

分岔角與水頭損失系數(shù)的關(guān)系(抽水工況)，見圖4。為雙機抽水和單機抽水工況下，分岔角與水頭損失系數(shù)的關(guān)系。隨分岔角增大，雙機抽水工況下，岔管水頭損失系數(shù)亦略有增加；而單機抽水工況下，岔管水頭損失系數(shù)先減小后增加。

圖4 分岔角與水頭損失系數(shù)的關(guān)系(抽水工況)

2.3.2 水流流態(tài)

雙機抽水時，在各工況下，水流由支管流入主管，支管內(nèi)流速均勻，主流集中在管中心位置，兩支管水流在岔管處發(fā)生匯流，在肋板附近形成流速較小的區(qū)域，水流進(jìn)入主管后，沒有出現(xiàn)偏流，主流居于管中線附近。水流在岔管處發(fā)生匯流，兩股水流發(fā)生碰撞，隨著分岔角的增大，碰撞程度隨之加大，流線轉(zhuǎn)彎角度也增加，引起岔管水頭損失的增大。

單機抽水時，在各工況下，運行支管內(nèi)流速均勻，主流居于管中。受慣性力影響，運行支管一側(cè)水體進(jìn)入主管，流線在岔管處發(fā)生彎折，水流進(jìn)入主管后發(fā)生明顯偏移。同時受水流摩擦作用，在靠近停機支管一側(cè)產(chǎn)生較大范圍的回流區(qū)。隨著分岔角的的增加，分流區(qū)范圍明顯減小，水頭損失系數(shù)有所降低，但分岔角進(jìn)一步增大，流線彎曲進(jìn)一步加劇，水頭損失系數(shù)又增加了。

3 結(jié) 論

分岔角是岔管重要的體型參數(shù)之一，對岔管的水力特性有著顯著影響。文章采用數(shù)值模擬方法，針對不同工況，從水頭損失和水流流態(tài)兩個角度進(jìn)行對比分析，探討分岔角變化時，岔管的水流運動變化規(guī)律。計算結(jié)果表明：

1)雙機發(fā)電和雙機抽水時，分岔角越小，水頭損失系數(shù)越小且水流流態(tài)越好。

2)單機發(fā)電時，水頭損失系數(shù)隨分岔角的增加而減小，主要是因為運行支管內(nèi)側(cè)，肋板后產(chǎn)生的水流分離區(qū)不斷減??；單機抽水時，水頭損失系數(shù)隨分岔角的增加出現(xiàn)先減后增的變化趨勢，主要是因為停機一側(cè)水流分流區(qū)范圍不斷減小引起水頭損失系數(shù)的減小，而流線彎折加劇造成水頭損失系數(shù)增大，是這兩種水流流態(tài)變化綜合作用的結(jié)果。

3)從水力學(xué)的角度，綜合考慮各種工況，建議分岔角不應(yīng)過大或過小，在70°～80°之間為宜。