王多平，贾丽炯

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021）

抽水蓄能电站进/出水口的水力条件比较复杂，对电站运行的影响比一般常规电站大，同时泄放洞进口与进/出水口距离较近，且均处在山体凹侧，二者之间存在一定的影响和干扰[1]。所以在各种工况水位条件下，为更好地模拟发电和抽水时的水流情况和泄水洞泄流时的进口流态，对初拟的调整方案予以验证，并提出改善意见，最终推荐合理的布置形式，特进行本次水工模型试验。

1 工程概况

某抽水蓄能电站由上下水库、发电厂房洞群、输水系统、开关站、下水库泄水建筑等组成，输水系统由上库进/出水口、上游事故闸门井、斜井式引水隧洞、引水岔管、高压支管、尾水支管、尾水岔管、尾水调压井、尾水隧洞、下游检修闸门井、下库进/出水口等组成，上下水库相对高差约456 m，输水系统总长约2 233.2 m。下库泄放洞布置在下岸水库右岸，进口布置在下库进/出水口施工围堰内，底板高程为172.0 m；出口布置在下岸水库大坝下游约1 km 处的转弯段凹岸，出口高程160.0 m；泄放洞全长约791 m，隧洞内径7.4 m；由进口引水渠、事故闸门、有压洞段、工作弧门、无压洞段、出口消能工组成。由于泄放洞开挖进洞点位于下库进/出水口引水明渠的回流区，为避免泄放洞运行与电站抽水组合工况下发生危害性漩涡，采用混凝土明洞方式将泄放洞进口向下水库内延伸，进口包括防涡梁段、收缩段和方洞段[2]，如图1所示。

2 水工模型数值模拟

2.1 建模及网格划分要求

使用Gambit 软件建立模型，仿真实验当中由于关注水流流态，因此在划分网格时靠近表面层处的网格要密些，靠近远处水流的地方网格可以疏松些。这样处理的好处是不仅不影响边界处的流场分析效果，而且可以减少计算网格，减少内存占用量。

网格划分是仿真实验中最基本也是最重要的一步，不仅影响以后仿真计算的精度，而且对收敛性也有很大的影响，如果网格质量不好可能会使仿真得不到有效的收敛解。为提高收敛性，本水工模型数值模拟全部使用六面体结构化网格，详细模型网格如图2所示。

2.2 定义模型边界条件

使用Gambit 建模前，定义2 个圆管为流速进口，顶盖为压力出口，下库出水管为自由出流。其余壁面为wall 边界，处理时会将它默认为绝热无滑移壁面边界条件，并利用标准壁面函数进行求解。

2.3 选择求解器及模型

本次设计的是水气二相流，流速较小，马赫数速度较慢，故而选用基于压力进行求解。Fluent 基于压力的求解器主要用于解决低于0.3 马赫数的不可压缩流动问题，由于Fluent 软件在基于压力求解器中引入了理想气体状态方程，故而也能够解决一些涉及密度变化的流动问题。压力求解器完全符合本次研究要求，计算模型选择多相流模型以及湍流模型。

多相流模型选用VOF（Volume of Fluid）模型，该模型非常适合解决需要捕捉相的界面的问题，该模型是在原有的N-S 方程组的基础上添加了第二相流体的体积分数α，即通过判断α与0 与1 之间的大小来判定第二相流体的容积。当期值为0 时，表示此区域内并无第二相流体；当期值为1 时，表示此区域内全是第二相流体，否则则是2 种流体的混合物。所得修正后的N-S 方程组如下。

连续方程为：

动量方程为：

能量方程为：

湍流模型则采用k-e 标准壁面模型，k-e 模型由于它在计算过程中收敛性和计算精度都比较符合工程要求，故其计算量与精度都比较符合大多数情况的要求。该模型相对于其他LES（Large Eddy Simulation）模型具有计算资源占用量少、收敛迅速的特点，并且由于此次计算模型流速较低，湍流强度较小，故而k-e 模型的精度也符合要求。

2.4 设置求解控制思路

Fluent 允许计算时选择不同的求解算法及离散格式。本次选用的是Simple 算法，即压力耦合方程组半隐式方法进行求解，该方法是所有格式中使用最为广泛的数值方法，几乎可以计算任何流速下的流动[3]，求解思路流程如图3 所示。

图3 数值模拟设置求解思路流程图

设置完成后进行计算，得到不同工况下水库进出口处的流场结果。由于此次研究的重点在于不同底板高程对水流平稳特性的影响，而水流波动较大的地方主要存在于出水口处与进水口处[4-5]，故而截取了进出口的中轴面进行显示。

2.5 数值模拟结果对比

不同工况下水库进出口处的流场结果对比如表1所示。

表1 不同工况下水库进出口处的流场结果对比

2.6 双管出口段分析

双管出口段共切分了2 个断面，分别沿2 个出口洞中轴线进行切分，然后对切分出的面，再次切分water of volume fraction 为0.99～1 的区域。由表1 序号2 行可看出，2 个工况下，下库进水口部分的水面高程基本相等，而在双管出口附近水位明显有差距。从176 m 工况至172 m 工况，靠近水流方向的右侧水位依次升高，说明前池底程高为172 m 时，水流紊动较大，双管出口流动不畅，导致右侧雍水水位较高。不难看出，较长圆管入口处流动更加均匀，这是由于圆管长度较长，且流速较快，而圆管出口处面积相同，故而根据质量守恒，较长圆管出口处流速较大，流线更均匀顺畅。由于此处更靠近出口处，该出口液体经过水库之后更容易进入出口管道。

对比表1 中序号3 行和4 行的数据可以发现，Vof等于0.99 的水面在贴近双管出口右侧雍水位置依次升高。2 个工况的“主流”被第一个挑坎挑起，角度约为45°，调流后进入前池，主流在水流表面扩散。但172 m工况扩散效应更加明显，说明前池底部“水垫层”消能作用在3 个工况中最好。从主流的流动情况可以看出，短圆管出口处的主流型面基本相似，主流上下2处回流区的大小及发展状况在进入前池之前基本无变化，故而可以判断造成不同工况下水面波动差异的主要原因是该出口的流动情况。从表1 中序号4 行也不难看出，经过第一个挑坎后，主流下侧的回流区不太明显，没有形成较明显的速度梯度，说们此处挑坎的作用仅为提前改变主流的流动方向。

对比表1 中序号5 行的数据也不难发现，主流下侧的流动更接近于有速度边界层的层流运动。在水面表层，176 m 工况下的水流流速比172 m 工况下高得多。考虑到水的不可压缩性，造成这一现象的主要原因为此处水流的实际流通面积减小及此处的流动损失随着池底程高的减小而增大。从流动结构上看，池底程高由176 m 降低到172 m 的过程中，流动结构由突缩结构变成了突扩结构。而流线图中并无明显涡结构，故此认为造成176 m 工况下水流流速较大的原因是水流的实际流通面积较小。

观察表1 中序号6 行、7 行可知，主流经过挑坎之后不仅主流的方向被调整，且主流上下的回流区也较为明显，并且主流的速度梯度较大。以176 m 程高为例，主流速度快速降低，直至与上下回流区速度一致。这说明此处的流动损失较大，上下涡流产生的损失也主要由此处引起。故而推断出，不同程高表面的波动是由此处产生的不同发展状态的涡流导致的。

从速度云图上看，176 m 程高主流上侧低速区虽然连成一片，但仅有轻微的低速区分离现象；172 m 程高主流上侧的低速区则基本无分离现象。从表1 中序号8行亦可以看出这一趋势。造成这一现象的主要原因是主流在不同程高条件下，具有不同的速度梯度。

可以看出对于这一构型，下侧低速区共存在2 处成型点，其一是挑坎，其二是进入前池处176 m 程高与172 m 程高的2 处低速区基本相连。导致下侧低速区对主流的影响最小，进而导致主流对上侧低速区的影响最小。此外，造成172 m 程高水面波动较为平缓的另一个原因是该处水流进入前池前符合突扩结构的流动规律，这就使得由于该结构产生的低速区主要存在于突扩结构之后且对前部流动影响较小。另外，突扩结构的存在造成局部出现卷吸效果，使得主流更易流入前池，进而减少了此处流动受阻导致的回流效应，进一步减轻了对主流上侧低速区的影响，使172 m 程高这一结构更易实现水面平稳。

综上所述，确定底板程高时，应尽量使底板为突扩结构，而且流速较大的入口下游区域的设计尤为重要[6]。

2.7 工况分析及结构选择

综合上述分析发现，从水流流出下库出水口到进入明渠这段区域内，采用挑坎结构并配合突扩结构能够明显降低水流的流动速度，这是由于突扩结构使得挑坎后主流下侧的低速区更加均匀，并且突扩结构将该结构后面的低速区与主流下侧的低速区基本分离开来，起到了解耦合的作用，导致172 m 工况下水流在流出下库出水口到进入明渠这段区域内时流动最为平稳。

当2 个出水口初始入口面积不同时，出水口出口处流动情况主要取决于入口面积较大的出水口处的主流情况。而在水流进入下库进水口处时，主流流速越低，越不易在拐角处产生漩涡结构，故而水流在下库出水口到进入明渠这段区域内流动越平稳，在流入明渠后，平均速度越低，越不易在拐角处产生漩涡结构，更能保证水流在进入下库进水口之前流动的平稳性。且在水流进入下库进水口前，适当使用突缩结构，能够有效地降低水流的速度。

为得到更好的水流流态，方便水流较为平顺地进入下库进水口，采用底板高程为172 m 较合适。然而从水流流出下库出水口到进入明渠这段区域内的流动状况可以看出，172 m 高程还不能完全使水流挑坎后的低速区与转折处（即172 m 工况突扩结构处）的低速区完全分离，故而此处结构还有优化的空间。另外考虑到下库进水口角度、布设方式，下库进水口布设较合理[7]。

3 结束语

研究表明，采用挑坎结构，并在进入明渠前使用突扩结构能够在很大程度上将2 处产生的低速区隔离开，并起到降低水面波动、减缓进入明渠时速度的作用。在水流进入进水口前，通过使用突缩结构构型能够进一步降低水流进入进水口时的速度，使水流流动更加均匀缓慢。由此可得，明渠底板程高为172 m 时，能够同时满足两点，水面波动情况以及进水口前流动情况都非常好，可满足实际需求。在今后的设计优化中，也可以通过其他措施调整突扩结构尺寸，进一步改善水库流动的宏观表现。