基于数值方法之台庄电站引水体系特性研究

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1、基于数值方法之台庄电站引水体系特性研究第1章绪论1.1课题的提出、研究背景和意义涉县台庄水电站位于河北邯郸市涉县合漳乡台庄村清漳河上。水电站正常蓄水位316.2m，水电站共装设三台机组，其中两台大机组，装机容量为500K模型）。.第3章计算域的建立和网格划分.....123.1引水系统结构描述....123.1.1明渠至压力钢管主要参数......123.1.2蜗壳及相关部件主要参数......133.2计算域的建立.......153.3计算域的网格划分....18本章小结.........22第4章明渠至压力钢管内部流动数值分析及结构优化

2、.......234.1传统理论计算.......234.2数值计算.....254.3流动特性分析.......274.3.1计算域一整体流动分析.....274.3.2压力钢管进口部分流动分析.......324.4结构优化改型.......38本章小结.........46第5章蜗壳内部流动数值分析.......475.1数值计算.....475.2内部流动分析.......48本章小结.........54第5章蜗壳内部流动数值分析5.1数值计算在数值计算之前，必须先根据经验公式估算其水头损失。此水头损失，即可作为数值计算初始参考值，

3、也可用作传统理论计算和数值结果的对比。应用谢齐（Chezy）公式、曼宁公式可计算出沿程水头损失，应用局部水头损失计算经验公式，可计算出钢管出口扩散段和蜗壳进口局部水头损失，总水头损失计算结果约为0.4m。CFX软件[55-57]主要特点体现在：计算结果的精确度高，收敛稳健且较快，拥有丰富的命令流且支持多层次二次开发，强大的后处理功能。常被用来模拟旋转机械体或螺旋结构（蜗壳）内的流动特性。其流体分析主要包括参数设定（CFX-Pre），求解器设置及求解（CFXSolverManager），后处理（CFD-Post）。参数设定：导入网格后设置流体分

4、析类型为稳态（SteadyState）；湍流模型选用标准k-ε模型；在默认的计算域中插入所需边界条件，进口设置为压力进口（StaticPressure），流动方向选零梯度（ZeroGradient），其值为对应工况下第四章的出口压力值；出口设置为流量出口（MassFloS，最大残差限制值10-4。由于蜗壳已经建成，属于地下埋设部件，结构不易改动。故仅对蜗壳在大流量、设计流量和小流量，三个工况的内部流动进行了数值模拟计算。结论本文以邯郸涉县台庄水电站为研究对象，对其水轮机出力不足的原因进行了详细分析，通过对其引水部件进行数值模拟

5、，找出了造成水轮机出力不足的原因，可作为水电站局部结构改型时的参考。利用专业的三维造型软件Solid对电站引水系统（从明渠至蜗壳）建立了三维计算域并做了较高质量的网格划分。重点运用数值求解软件CFX对蜗壳内部流动进行了稳态数值模拟，应用计算机分析软件Fluent对计算域其余部分（明渠、拦污栅和压力钢管）内部流动进行了瞬态数值模拟。经研究，此电站主要存在两个问题：压力钢管进水口附近区域内水流流态很不好，造成严重水头损失；以及蜗壳出口水流轴向不对称。具体得出如下结论和认识：（1）明渠内水流流态很好，但当水流流至拦污栅前时，一部分直接水流入拦污栅；

6、一部分水继续沿明渠流向下游，甚至撞上下游闸门，再掉头流向拦污栅。这种流态比较混乱，好在流速很小并没有造成过大的水力损失。（2）拦污栅整体流态很好，但拦污栅的左侧靠边的几个栅条处出现小的漩涡，这是由于水流方向在这里突然发生较大角度的转向导致的，不过范围很小而且流速也较小，只造成了很小的水头损失，在工程允许范围之内。（3）前池与压力钢管进口的衔接区域内水流流态很不好，水流基本是撞墙以后转弯90°再流向压力钢管进口，造成了非常大的水力损失。这主要是由于前池面积较小，加之压力钢管取水口结构设计不合理共同导致的。根据水电站实际情况，本文对此处结

7、构做了优化改型，得到较好的仿真结果。改型后水头损失较改型前有明显减小。..........