复杂冲沙廊道系统最优运行方式的数值模拟研究

作者:刘达;黄本胜;廖华胜;张延忠 刊名:水利学报 上传者:郑丹

【摘要】电站取水口复杂冲沙廊道系统的冲沙孔孔前漏斗范围往往随冲沙流量增加而增大,但相应地,冲沙孔与廊道连接过渡段的压力则迅速减小,并出现较大负压,简单的调度运行方式很难使这种复杂冲沙廊道的压力特性及冲沙漏斗范围均达到较佳,必须进行调度方式的优化研究才能达到此目的。本文采用数值模拟的方法研究了大渡河龙头石水电站取水口冲沙廊道系统的最优运行方式,结果表明,通过改变冲沙孔运行方式,冲沙漏斗范围及冲沙系统压力特性这两个目标可同时达到较优的效果,对类似的取水口冲沙系统运行方式拟定具有重要工程价值和科学意义。

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1研究背景在多泥沙河流上修建电站,取水排沙历来是一个倍受关注的问题。某些电站由于地形地质条件的限制,给冲沙建筑物布置带来一定难度,从而将其设计成多个冲沙孔加单一廊道的复杂冲沙系统。这种布置方式的冲沙孔与廊道连接过渡段较短,而且孔间存在相互影响,导致各孔冲沙流量的不均匀和孔前漏斗范围的不一。同时,由于采用了复杂的廊道系统,冲沙系统内的水流流动较为复杂,流态变化急骤,水力特性比较复杂。目前对复杂冲沙廊道冲沙系统的相关研究很少,基本都是针对单一模型的管道系统水力特性[1-2],也有一些实际工程的研究[3-7],如南水北调工程长距离输水管道和三峡电站引水防沙试验研究,此外还有一些针对冲沙漏斗开展的试验及数值模拟研究[8-9]。大渡河龙头石水电站采用了复杂冲沙廊道系统,物理模型试验表明[10],所有冲沙孔同时开启时,由于4个冲沙孔共用一个冲沙廊道,冲沙时相互影响,各孔的过流量不大,导致拉沙效果较差。尤其是4#冲沙孔,由于其最靠里侧,受到1#~3#孔的联合阻流作用,拉沙效果极差;当各孔单独开启拉沙时,各孔过流量显著增大,拉沙效果较好,但4#冲沙孔冲沙廊道出现较大负压,容易引起空蚀空化,故4#冲沙孔必须联合其它冲沙孔一起运行才能改善其压力特性。此前的模型试验研究了4#冲沙孔联合3#冲沙孔的运行工况,认为较优调度方式为4#孔全开+3#孔局部开启(e=1/2)。尽管这种调度方式使4#孔与冲沙廊道连接转弯段的负压特性得到改善,但由于3#孔与廊道连接段压力值过小,仍可能发生空化,因此,继续研究4#孔联合1#或2#孔运行的各种组合调度方式对该问题的深入探讨具有重要意义。由于模型试验本身具有一些局限性,如无法测出详细的流速分布、压力分布等,本文对冲沙廊道系统运行方式采用数值模拟方法进行分析,并以模型试验结果为对照进行验证。2数学模型龙头石水电站进水口数学模型见图1,数学模型是以电站取水口及冲沙廊道为原型建立的,其模拟区域由库区、机组进水口、冲沙廊道及冲沙洞4个部分组成。整体网格划分成结构化和非结构化的网格,绝大部分采用结构化网格。冲沙孔进口前、冲沙廊道及冲沙洞等关键区域(见图2)进行了精细模拟,网格尺寸最小为0.1m,其他区域的网格尺寸较大,网格总数量约30万。图1复杂冲沙廊道系统数学模型图24#冲沙孔与冲沙廊道连接处网格划分本文数值计算采用RNGk-紊流模型,其连续方程、动量方程和k、方程可分别表示如下。连续方程:t+uixi=0(1)动量方程:uit+xi(u)iuj=-pxj+xj(+)tuixj+ujxi+Bi(2)k方程:(k)t+xi(u)ik=xi+tkkxi+Gk-(3)方程:()t+xj(u)i=xj+txi+C1kGk-C22k(4)式中:p为压力;Bi为单位体积的体积力;、分别为体积分数平均密度和分子黏性系数,=t,其中t为紊流黏性系数,它可由紊动能k和紊动耗散率求出:t=Ck2;C1=1.42-()1-01+3;=Sk;S=2-Sij-Sij(5)其中:为无量纲参数;S为平均变形率。以上各张量表达式中,i=1,2,3,即{xi=x,y,z},{ui=u,v,w};j为求和下标,方程中通用模型常数见表1。采用有限体积法对偏微分方程组进行离散,数值计算采用点隐式高斯-塞德尔迭代方法对代数方程组进行求解。上述建立的离散方程中,压力p的正确解是由连续方程间接反映出来。压力场通过动量方程影响速度场,只有正确的压力场才能求得正确的速度场,只有正确的速度场才能满足连续方程。本文压力-速度耦合求解采用PISO算法,动量、紊动能和紊动耗散率采用二阶迎风格式,计算精度

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