APP下载

生态友好型旋涡水电站旋涡特性研究

2018-05-11欧传奇郑明珂叶敏敏

中国水利 2018年8期
关键词:切向速度旋涡水电站

马 彪,欧传奇,郑明珂,叶敏敏

(国际小水电中心,310002,杭州)

我国已建成小水电站47 000多座,装机容量7 500多万kW,均约占全国水电装机和年发电量的1/4。小水电点亮了中国,为农村经济社会发展及农民脱贫致富作出了历史性贡献。然而,部分区域的不当开发也对生态环境造成了一定影响,主要表现为部分河段枯水期脱流断水、下游水生生态环境恶化等。研发生态友好型水电站已迫在眉睫。世界上第一个生态友好型旋涡水电站建在奥地利上格拉芬多夫附近,装设一台单机出力11.4 kW机组,建造成本60 000欧元,2015年 10月到 2016年9月年发电量为635 81 kWh。电站机组能够在0.7~3 m的低水头和50 L/s的低流量工况下运行发电,实际能量转换效率约为73%,转速为33 rpm。

水的旋涡是流水做旋转运动的现象,在圆柱坐标系中可以分解为切向、径向和轴向运动。1858年,兰金发表了水旋涡切向速度数学模型的研究成果。随后,Odgaard、White和Mih、C.Yun-Liang等人也研究了水旋涡理论,并尝试改进水旋涡的数学模型。Torre等人使用CFD来模拟容器中旋涡的自由表面情况,Busciglio等人通过数字图像分析研究了搅拌容器中旋涡的形状。Viktor Schauberger研究了水的环形旋涡流动。应用旋涡特性指导旋涡水电站运行发电至关重要,但针对旋涡水电站旋涡特性的研究并不多见。本文以生态友好型旋涡水电站为研究对象,利用旋涡的数学模型和CFD数值计算方法重点分析电站的旋涡特性,为电站的优化运行提供技术参考。

一、生态友好型旋涡水电站基本情况

1.水电站结构

水电站结构如图1所示,机组由箱体、出水槽、扇轮、齿轮加速箱、发电机和支撑架组成。箱体顶部一侧设有引流槽,另一侧有环室。引流槽进口大、出口小,出口截面正对环室的半径截面,有助于河水从缓变急进入环室,且箱体上在引流槽直角边一侧设有分流口。环室为箱体顶部的圆柱形凹槽,圆形横截面有助于让水形成漩涡。环室底部设有竖孔,环室正下方为出水箱。竖孔连通环室和出水槽的贯穿孔,且竖孔内壁设有逆时针向下的螺纹,用于帮助漩涡的形成。支撑架与箱体焊接,齿轮加速箱和发电机通过联轴器连接,并与支撑架螺栓连接。扇轮在环室内的竖孔上方悬挂,扇轮的轴线与竖孔的轴线重合,扇轮与齿轮加速箱的转轴固定连接,当环室内水流形成漩涡时可以推动扇轮快速旋转。扇轮结构简单,通常由4到6个倾斜的弯曲叶片组成,扇轮大约每分钟旋转20转。

2.工作原理

根据伯努利方程:

假设所有流线在竖直方向上是直线,则有:

由式 (2)可知随着速度V的增加,压力P减小。旋涡水电机组工作原理如图 2(a)、(b)所示,水流在进口处由于流道形状的变化导致速度增加、压力减小。水流的径向速度由于重力的作用而增加,切向速度在旋涡中心的方向上连续增加,涡管被来自各个方向的水流向内挤压,旋转随着半径的减小而增加。在一定转速下,离心力开始起作用,并将水径向推出环室。此时水流变为低压,形成漏斗形状。水由于重力作用向下流,水的压力向内,离心力向外,在这些力的共同作用下,水流形成旋涡。水轮机与环室同轴,水轮机扇轮由于旋涡中流水对叶片力的作用而旋转。扇轮通过变速箱与发电机相连,扇轮旋转带动发电机旋转发电。最终,水流的旋转能量转化为电能。

3.生态友好性能

一是保障生态流量。常规小水电站因所在河流的流量受到调节,坝下游出现流量减小甚至断流的情况,而旋涡水电站可建在已有的渠道等水利设施中,并未阻断河流,不会引起河道减脱水现象,保障了生态流量。

二是改善下游水体质量。流水经过机组时形成旋涡、流速增加,导致水与空气接触的表面积增大,使得更多的氧气融入水中,补充了缺氧水体的氧气含量。其次由于水流绕着旋涡运动,使得水中的污染物分布更均匀,促进了天然微生物对污染物的分解。故机组在发电的同时,还改善了下游水体质量。

三是可以正常过鱼。因为旋涡型机组电站不阻塞河流,故不妨碍鱼类在上游和下游之间自由游动。普通电站的机组转速较高,对鱼类会造成伤害,但旋涡型机组的转速仅为16~22 r/min,鱼类在如此低转速的水流中可以很容易地游到上游。

二、环室旋涡数学模型

1.受迫涡

在无界流场中有一圆柱涡,圆柱横截面半径为R,在圆涡内r<R处,流体如同刚体一样以角速度ω绕圆心旋转,流体的速度为:

流场的涡量表示为Ω:

流体的速度与距涡心的距离成正比,这种结构的涡称为受迫涡。

2.自由涡

在圆涡外部r>R处,流体的速度等于把此涡看成为直线涡所诱导的速度:

流体的速度与距涡心的半径成反比,这种结构的涡称为自由涡,自由涡所诱导的流场是无旋的。

3.兰金涡

兰金涡由受迫涡和自由涡组合而成。在圆涡内r<R处,为受迫涡;在圆涡外部r>R处,为自由涡。在圆涡边界上速度应当是连续的,则:

由此可求出涡管强度:

在自由涡区域,伯努利方程有如下形式:

图1 机组结构图

式中,p∞和v∞分别是无穷远处流场的压强和速度,由式(5)可知 v∞为零,因此流场中任意一点的压强为:

式(5)表明,r越小,速度越大,压强越小。在圆涡边界上(即r=R处)自由涡速度最大,压强最小:

在圆涡内 r<R,则:

在圆涡边界上,式(12)又可写为:

联立式(11)、式(13)可得:

由于在r=R处有:

所以:

在r=0处,压强最小值为:

4.机组环室水力参数分布

将上述得到的数学模型应用于生态友好型旋涡水电机组中,便可得到环室中水流的压强和速度分布(图 2 中(c)、(d))。 由图 2(c)可知在圆涡内,压强随半径r的减少而减小,在核心处压强达到最小值。且圆涡的强度越大或圆涡的半径越小,核心处的压强越低。由图2(d)可知速度随着半径r的增大先增大后减小,当r=R时,涡的速度最大,即为自由涡速度。

三、环室旋涡CFD计算

1.控制方程

(1)连续方程:

(2)动量守恒方程:

(3)能量守恒方程:

(4)组分守恒方程:

2.三维模型建立及网格划分

流道参数值:环室直径为2 m,高度为3 m,出口孔径为0.6 m,环室进水口前流道长度为4.5 m。以环室的结构尺寸为依据,运用三维造型软件UG建立其三维流体模型 (图3(a))。并将此几何模型进行离散,运用ANSYS ICEM软件把模型划分为非结构化网格(图 3(b))。

3.求解算法及边界条件

CFD计算采用SIMPLEC算法求解离散方程,实现压力和速度的耦合,且计算选用RNG k-ε湍流模型。流体计算模型的边界条件 (图3(c))设置如下:进口为速度进口,通过体积流量Q=1.8 m3/s给定相应的质量流量作为进口边界;壁面为无滑移绝热壁面;出口为平均静压出口,出口流量按出口各点的平均值计算,出口各项参数满足沿流线方向梯度为零。CFD计算软件为ANSYS CFX。

图2 机组旋涡分布

图3 流道CFD模型

图4 全流道三维流线

4.计算结果及分析

(1)三维流线

图4所示为机组全流道的三维流线。从图中三维流线可知,速度沿着流道方向在环室进口处突然增大,水流进入环室后受到环室内壁的约束形成速度环量,环量一直延续到了环室出口。此速度环量即为水流绕旋涡轴线做旋转运动的基础。

(2)截面速度矢量

如图5所示,沿模型流道自上而下截取3个横截面,得到3个横截面的速度矢量。由截面一的速度矢量图可知,速度在环室进口处发生变化,形成了以环室圆心下方某点为旋转中心、旋转方向为逆时针的旋涡。由截面二的速度矢量图可知,旋涡依然存在,旋转中心点发生了变化,且旋转方向与截面一相同。由截面三的速度矢量图可知,旋涡依然存在,但旋转中心点移到了环室出口圆心点附近,且旋转方向也不再保持逆时针,而是向着旋转中心点射线型流入。

(3)旋涡切向速度随半径的变化

在漩涡中,水围绕旋涡中心沿半径减小的方向旋转。旋涡可以被定义为具有同心圆的流线谱。实际上由于所有流体都具有黏性,所以水的真实流动是有旋的。但若可忽略水的黏性效应,假设水的流动是无黏性且无旋的,便可近似地研究机组在水中的运动机理。切向速度(Vθ)是反映旋涡流动最重要的特征,在无旋流中,流体颗粒在围绕旋涡中心旋转时,流体颗粒自身不会自转,水的径向速度(Vr)为零,而切向速度(Vθ)可由下式计算:

其中旋涡强度K为单位深度的体积流量,计算公式为:

图6 旋涡切向速度随半径、水位高度的变化关系

如图6(a)所示,以环室底部为基准平面,选取环室内4个不同水位高度的点 A、B、C、D,其水位高度分别为0.7 m、1.4 m、2.1 m、2.8 m。 通过 CFD计算,得到4个不同水位高度旋涡切向速度随半径的变化情况(图 6(b))。

由图6(b)可得到以下两个结论:一是在不同的水位高度时,旋涡切向速度随着半径增加,先增大后减小,当半径为核心半径时,旋涡切向速度达到最大值,此结论与由上述数学模型得出的结论一致;二是旋涡切向速度随着水位增加而增大。

(4)旋涡轮廓线

通过CFD计算得到环室轴向截面某些半径点所对应的旋涡高度,然后将坐标点拟合为旋涡高度随半径的变化曲线,即为旋涡轮廓线,如图7所示。由图可知,旋涡轮廓线为二次曲线,且其函数表达式为:Hv=-76.111r2+29.754r-0.1711。

图5 流道3个横截面的速度矢量图

图7 旋涡轮廓线

图8 旋涡高度随流量的变化曲线

(5)旋涡高度随流量的变化

改变流道进口流量,通过CFD计算得到不同流量点所对应的旋涡高度,然后将坐标点拟合为旋涡高度随流量的变化曲线(图8)。由图8可知,旋涡高度随流量呈线性变化关系,并且旋涡高度与流量的函数表达式为Hv=1.5597Q。

四、结 论

本文以生态友好型旋涡水轮机为研究对象,推导了环室旋涡的数

学模型,对环室旋涡进行了计算分析,主要结论如下:一是速度环量为水流做旋转运动的基础;二是流道不同位置的旋转中心点不同,且在流道出口处旋转方向发生了变化;三是旋涡切向速度随着半径的增加,先增大后减小,当半径为核心半径时,旋涡切向速度达到最大值,旋涡切向速度随着水位的增加而增大;四是旋涡轮廓线为二次曲线,Hv=-76.111r2+29.754r-0.1711; 五是旋涡高度随流量呈线性变化关系,Hv=1.5597Q。 ■

参考文献:

[1]Zotlöterer.ZOTLÖTERER SMARTENERGY-SYSTEMS[Z].http://www.zotloeterer.com/welcome/gravitation-water-vortex-power-plants/.2014-08-09.

[2]Odgaard Jacob A.Free-surface air core vortex [J].JournalofHydraulic Engineering,1986,112(7).

[3]Chen Yunliang,Wu Chao,Ye Mao,Ju Xiaoming.Hydraulic characteristics of vertical vortex at hydraulic intakes[J].Journal of Hydrodynamics,2007,19(2).

[4]Jean-Philippe Torré,David Fletcher,Thierry Lasuye,Catherine Xuereb.CFD modelling of partially baffled agitated vessels with free surfaces [C].Melbourne:Fifth International Conf.on CFD in the Process Industries,2006.

[5]Antonio Busciglioa,Franco Grisafia,Francesca Scargialia,Alberto Brucato.On vortex shape in unbaffled stirred vessels as mesured by digital image analysis [C].Warsaw:14TH European Conference on Mixing,2012.

[6]Christine Lepisto.Gravitational vortex power plant is safe for fish[Z].https://www.treehugger.com/renewableenergy/gravitational-vortex-powerplant-is-safe-for-fish.html.2007-06-02.

猜你喜欢

切向速度旋涡水电站
旋风分离器内气相旋转流不稳定性的实验研究
里底水电站工程
白鹤滩水电站有多“牛”?
《水电站设计》2020年总目录
大班科学活动:神秘的旋涡
旋涡笑脸
山间湖
简单数学关系在大型船舶操纵中的 应用
为领导干部荐书
180°矩形弯管流场的LDV测量