侧式进/出水口水头损失系数多元线性回归分析

进/出水口水头损失是抽水蓄能电站输水系统水头损失的重要组成部分,准确计算水头损失是评估电站运行经济效益的重要需求。本文通过数值模拟方法研究了14个实际侧式进/出水口的水头损失系数;利用多元线性回归方法,建立了基于侧式进/出水口体型参数计算水头损失系数的回归方程,分析了侧式进/出水口体型参数对其水头损失系数的影响规律。结果表明:侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的影响程度,对出流工况较显著,而对进流工况不显著;出流工况,侧式进/出水口体型参数对水头损失系数的相关性,扩散段长度、扩散段分流墩中墩缩进距离、水平扩散角、垂向扩散角、分流墩墩头中边孔宽度比和反坡段坡比为正相关,调整段长度和防涡梁段长度为负相关;利用回归方程得到的水头损失系数与数值模拟方法的结果吻合较好。本文建立的回归方程为计算侧式进/出水口水头损失系数提供了新方法。

侧式进/出水口偏流出流下的大涡模拟

实际工程中受地形地质条件影响,引水洞在水平上存在转角,导致出流工况来流不均,进/出水口内部紊流特性的复杂程度显著提升。利用大涡模拟对某带水平弯段抽水蓄能电站侧式进/出水口进行数值计算,其流速、概率密度分布与模型试验吻合较好。结果表明:偏流出流下进/出水口各流道分流比分别为0.64、0.81、1.26和1.29,水平方向流速分布极为不均;垂直方向主流靠近中下部,垂向雷诺切应力在扩散段内呈一正一负峰值分布,该现象主要由中上部的流动分离和底部的壁面剪切造成;两中间流道的回流区高度大于两边流道,导致中间流道的拦污栅更易受到反向流速影响;流动分离使拦污栅附近存在三轴漩滚,靠近过水断面中上部和底部产生2处能量集中的低频脉动,且各流道在偏流条件下的紊动强度相比均匀来流的紊动强度分别提高11%、25%、29%、3%,不利的水流流态和较高的紊动强度可能对拦污栅造成威胁。

抽水蓄能电站侧式进/出水口内部流动规律研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口在应对电站运行过程中水库水位频繁变化以及水流双向流动带来的水力学问题时,需要保证内部水力特性良好。以某抽水蓄能电站侧式进/出水口为例,双向过流工况下,采用数值模拟方法,分析各部位水流流态,探究内部沿程流动规律。研究表明:两种工况下,中孔和边孔的沿程流速变化规律相同,扩散段对进/出水口内部流速变化影响最大;进流工况下,主流位于孔口底部,调整段上方由于两向水流的剪切作用,形成回流区;出流工况下,主流位于孔口中部,垂直扩散角导致扩散段及调整段上方形成流动分离现象。研究成果可为同类型抽水蓄能电站侧式进/出水口体型设计提供参考。

平面转弯有压输水隧洞对进/出水口水力特性影响研究

受地形、地质等条件的限制,与抽水蓄能电站侧式进/出水口衔接的输水隧洞会存在平面转弯段.当输水隧洞的平面转弯段距进/出水口较近时,转弯角度、转弯半径R以及转弯后直隧洞长度L等参数对出流工况下进/出水口水力特性有着重要影响.平面转弯输水隧洞转弯段若布置不当,出流工况水流进入进/出水口时可能会出现偏流现象,直接影响进/出水口流量分配,然而目前缺乏平面转弯输水隧洞各参数的设计建议值.以抚宁抽水蓄能电站侧式进/出水口为研究对象,通过数值模拟的方法研究了平面转弯有压输水隧洞对进/出水口出流水力特性的影响并进行了偏流成因分析.结果表明:对于设计合理的进/出水口体型,平面转弯有压输水隧洞转弯段若布置不当,水流在进入转弯段后会形成二次流,导致转弯段后隧洞横断面流速分布不均匀,转弯段外侧流速大于内侧,进/出水口会产生偏流现象,直接影响各孔口流量分配;转弯角度的增加会使各孔口流量分配越不均匀;R和L的增加能有效改善进入进/出水口时的水流条件;当R≥30.0D(D为输水隧洞洞径)同时保证L≥10D时,或L≥40D时,水流进入进/出水口时的偏流现象可以得到有效改善.研究成果可为抽水蓄能电站侧式进/出水口连接隧洞的平面转弯布置提供设计依据.

扩散段长度对侧式进/出水口水力特性的影响

以某上水库无调整段侧式进/出水口为研究对象,采用雷诺应力湍流模型探究了扩散段长度对进/出水口水力特性的影响规律,并从水力学的角度给出了扩散段长度建议值。结果表明:扩散段长度对侧式进/出水口水流运动存在显著影响,扩散段不宜过长或过短;对于进/出水口沿程流速分布,只有在抽水工况下扩散段长度才会对其产生影响,发电工况下基本不存在影响;对于水头损失、各孔口流量配比等其他水力指标,扩散段长度在双向过流时均会对其产生较大影响,随着扩散段长度的增加,各水力指标均先变好再变差;对于无调整段侧式进/出水口体型,当扩散段长度为隧洞直径的5.7~6.0倍时,各水力指标满足规范要求;当扩散段长度为隧洞直径的5.8倍时,进/出水口水力特性得到较大改善,且具有较好的水流流态。

利用多岛遗传算法的侧式进/出水口体型优化研究

水工建筑物体型优化一般通过物理模型试验或数值模拟对设定体型进行水力特性研究,针对不利的水力指标调整体型再进行研究,直至获得满意的较优体型,这是传统的做法。双向水流条件下的侧式进/出水口体型优化可视为多目标优化问题。本文将加权后的水头损失系数定为目标函数,以孔口断面流速不均匀系数和孔口间流量不均匀系数为约束条件,将多目标优化转化为单目标优化,利用多岛遗传算法进行进/出水口体型优化,可以获得最优体型。此外,参数化建模方法和基于CFD的响应面模型的应用,加快了建模与数值模拟速度,提高了优化效率。以某下水库侧式进/出水口为例,按照本文方法得到的推荐体型与原体型相比,进/出流的总水头损失系数降低3.35%,出流时流速不均匀系数减小14.50%,进/出流的流量不均匀系数均小于20%。该研究方法为水工建筑物体型优化提供了便捷的途径。

抽水蓄能电站侧式进/出水口拦污栅断面的流速分布研究

本文以某抽水蓄能电站上水库进/出水口为例,通过水工模型试验,研究了侧式进/出水口拦污栅断面的流速分布规律,着重分析了扩散段隔墩布置型式与过渡段体型对拦污栅断面流速分布的影响。研究结果表明:上弯段后过渡段长度不足与圆变方段起始断面处采用变坡布置是导致拦污栅断面流速分布欠佳的主要原因,而三个分流隔墩的墩头位置在扩散段起始断面处齐平、对水流流态的影响也是导致拦污栅断面流速分布出现异常的原因之一。在上述研究成果的基础上,提出了改善拦污栅断面流速分布并有效消除负流速的工程措施。

抽水蓄能电站进/出水口拦污栅数值模拟

利用k-ε紊流数学模型对某抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进 /出水口进行了数值模拟.针对有无拦污栅的情况,分析了拦污栅对进 /出水口流速分布和水头损失等的影响.就整个进 /出水口而言,不模拟拦污栅,其结果基本能反映进 /出水口的水力学特性.

马山抽水蓄能电站竖井式进/出水口轴对称流场数值模拟

竖井式抽水蓄能电站竖井式进 出口概化为轴对称模型,采用雷诺应力模型(RSM )和VOF法,对抽水工况出流工况下竖井扩散段,孔口及防涡梁下的水流流动特性进行了数值模拟。数值计算结果的合理性得到了模型试验结果的验证,表明轴对称模型接近三维模型的模拟精度,有助于设计阶段体型优化。最后对抽水工况和发电工况下的流场和能量场的特性了初步探讨。

反坡段对侧式进/出水口水力特性影响研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口,因进/出水口底高程低于库底高程,进/出水口与库区设反坡明渠连接,反坡坡比的大小将影响进出水口水力特性。目前缺乏反坡坡比建议值指导进/出水口设计,本文通过数值模拟研究了6种不同坡比1:1~1:6对进出水口水力特性的影响。结果表明,对于进/出水口水头损失系数、拦污栅断面流速分布只有在进流工况下坡比对两者存在一定影响。对于进/出水口流态,进流工况,各坡比在进/出水口内部调整段上方均形成了一定高度的回流区,坡比越小,回流区面积比也越小,当坡比小于1:3时,明渠反坡段未出现回流。出流工况,各坡比中、边孔均在反坡段上方出现回流现象,边孔回流区长度模数大于中孔,并且坡比越小,回流区长度模数越大。同时随着坡比由1:1到1:6逐渐减小,平台段水流向库区扩散更加均匀。反坡坡比范围在1:3~1:4时,进/出水口可以获得较好的水力特性。

侧式进/出水口及邻近围堰环流消除优化研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口施工完成后,往往对其施工围堰采用不完全拆除方式,从而形成残留围堰。当水库运行水位较低时,进/出水口前方水面在残留围堰和地形的影响下,很可能出现不利环流现象。这种不利环流,在出流工况下易造成进/出水口前方水面波动较大,在进流工况下易诱导进/出水口上方形成有害漩涡。本文以潍坊抽水蓄能电站下水库侧式进/出水口为例,采用数值模拟方法,探寻改善围堰附近水流流态的有效措施。为消除围堰附近的环流,对围堰平台的坡底线进行优化,比较各体型优化效果并进行物理模型试验验证。研究表明:侧式进/出水口前存在残留围堰时,进流工况库区水面流态平稳,出流工况围堰附近容易形成不利环流;对称的残留围堰不会避免环流的产生;当残留围堰平台坡底线角度与明渠扩散角度保持一致,可以降低环流强度,水流可平顺均匀地向库区扩散,水流条件有较大改善。本文研究成果可为同类型抽水蓄能电站侧式进/出水口围堰设计提供参考。

竖井式抽水蓄能电站进/出水口的水力特征

采用小孔扩散方式所建立的轴对称二维切片模型和二维轴对称数值模型,对抽水工况的出流特性和尾流的水流摆向进行了研究.试验与数值模拟结果显示,抽水工况下出流可视作射流,水流摆向与水位有一定关系,高水位时摆向河床,低水位时摆向水面;三维模型对比试验显示,抽水工况下采用防涡板结构时的进/出水口水头损失系数可达0.61,而无防涡梁、阶梯防涡梁和水平防涡梁等3种结构的水头损失系数范围为0.44~0.48;发电工况下水头损失系数均接近0.40.试验结果显示,竖向扩散段的扩散角小于9°时能保证配水均匀.采用2~3倍发电流量观察发电工况时漩涡的形成,试验显示漩涡的变化特征随水位发生变化：高水位时在进/出水口顶盖上部形成单一的漩涡;当水位降低到一定程度后,大环流转化为若干个漩涡,漩涡数量与导流墩数量相同.两个进/出水口同时运行时,环流之间相互干扰,可能形成一顺一逆环流.

侧式进/出水口数值模拟湍流模型比较研究

为研究侧式进/出水口数值模拟中不同湍流模型的适应性,本文以清原抽水蓄能电站下水库侧式进/出水口单体为研究对象,采用标准k-ε、RSM、LES和DES四种湍流模型进行数值模拟,将各湍流模型对进/出水口水头损失系数、流速分布等水力特性的模拟效果和计算效率进行对比分析。研究发现,进流工况下四种湍流模型计算结果均与实测值吻合较好,计算收敛性较好;出流工况下标准k-ε模型计算结果与实测值偏差较大,其余三种模型计算结果与实测值较吻合。对于侧式进/出水口进流及出流工况,RSM模型的计算效率较高,LES等尺度解析模型的准确性较好。研究成果可为进一步提高侧式进/出水口计算精度提供参考。

输水隧洞坡角对侧式进/出水口水力特性影响研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口具有双向过流的特点,进/出水口自身体型参数对其水力特性具有很大的影响,但连接的输水隧洞布置型式也同样会影响进/出水口水力特性,若输水隧洞布置不恰当,将可能导致进/出水口出现不利的水力特性。利用RSM紊流模型,以某侧式进/出水口为研究对象,在进/出水口体型不变的前提下,研究出流工况不同隧洞坡角对进/出水口内部流态、拦污栅断面流速不均匀系数、水头损失系数及流量分配等水力特性的影响。结果表明,当隧洞坡角等于扩散段垂向扩散角时,进/出水口内部流态较好,反向流速区的沿程范围、拦污栅断面流速不均匀系数及水头损失系数均最小。因此,当进/出水口扩散段垂向扩散角不大且各隧洞坡角均满足地形、地质条件的情况下,隧洞坡角等于扩散段垂向扩散角时,可获得较优的水力特性。

竖井式进/出水口布置形式对水流特性的影响

抽水蓄能电站竖井式进/出水口总体布置及边界复杂,水流条件易受体型轮廓影响。为研究进/出水口布置形式对水流的影响,在计算方法得到试验验证的基础上,采用基于VOF两相流的RNG k-ε湍流模型对工程中常见的布置形式进行三维数值模拟,分析了扩散段形式和分流孔数对水头损失、流速分布及流态的影响。研究成果对竖井式进/出水口的水力设计具有重要参考价值。

超短竖井式进/出水口的水力控制

弯道后的水流调整不好,可导致进/出口存在严重偏流和水头损失增大.为了保证竖井式进/出水口的配水均匀性和水力稳定,采用三维RNG k-ε紊流模型,对某抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进/出水口进行了数值模拟,并进行了模型试验验证.重点对比研究了竖井扩散段采用椭圆曲线与渐扩锥管两种形式在抽水工况出流时的流动特性.计算结果显示,渐扩锥管的配水均匀性和稳定性均好于椭圆曲线扩散管的.对比分析了弯道后渐扩锥管扩散角分别为4.3°,5°和7°时的配水均匀性,计算结果显示竖井式进/出水口应尽可能控制扩散段的扩散角,防止出现偏流;在弯管段后的扩散段的扩散角宜小于4.5°.采用物理模型对推荐体型进行了验证,模型试验显示按照推荐体型设计的进/出水口配水均匀,双机抽水工况下总水头损失系数为0.48;双机发电工况下,总水头损失系数为0.33.

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。

侧式进/出水口扩散出流紊动强度变化规律研究

为探求侧式进/出水口紊动强度变化规律,构建了RSM紊流模型用于侧式进/出水口流向、横向及垂向三方向上紊动强度研究,分析了进/出水口三方向上紊动强度分布沿程变化,重点关注了拦污栅处紊动强度变化规律。研究发现边、中孔三向紊动强度各断面轮廓基本一致,横向与垂向的紊动强度均小于流向紊动强度。在沿程分布规律上,壁面附近紊动强度在扩散段有减小的趋势,孔口中间紊动强度逐渐增大,水流经过扩散段以后有回转趋势。水头损失与紊动强度呈正相关,紊动产生的水头损失先增大后减小,壁面产生的水头损失与断面平均流速呈正相关。在此基础上,探讨了孔口高度、隧洞坡角、雷诺数对进/出水口三向紊动强度的影响。结果表明,雷诺数、孔口高度、隧洞坡角基本不影响紊动强度场的断面分布及沿程变化规律,但会影响拦污栅断面处三向最大紊动强度值及其所在位置。

河北丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口高边坡支护结构设计研究

河北丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口边坡首先通过理论计算,在开挖前初步确定了边坡的锚喷支护参数,在施工过程中,根据揭露的实际地质条件、监测资料、施工状态及开挖跟踪反分析和围岩稳定分析结果,采取了针对性的边坡加强支护措施,并利用Geostudio和理正岩土软件对加强支护后的高边坡进行稳定性复核计算,优化和完善了合理的边坡支护参数,在确保施工安全的前提下有效降低了建设成本,使工程安全经济,其成果对工程应用及类似边坡的防护措施有指导和借鉴意义。

提高抽蓄电站进/出水口过栅流速均匀性的数值模拟研究

为提高抽水蓄能电站进/出水口过栅流速均匀性,采用标准κ-ε紊流模型,对不同方案下的蛟河抽水蓄能电站进/出水口过栅水流流态进行了数值模拟。结果表明,在进/出水口其他尺寸符合常规的条件下,减少分流墩厚度(最小厚度取决于结构安全需求)可明显提高过栅流速均匀性。