阻抗调压室水力损失特性数值模拟

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1、http://www.paper.edu.cn阻抗调压室水力损失特性数值模拟郑亚军，王凯，雷兴春河海大学水利水电工程，南京（210098）E-mail：zhengyajun123@sina.com摘要：本文采用不同的湍流模型、离散格式以及迭代算法对具有一洞一机尾水系统的抽水蓄能电站阻抗调压室的水力损失特性进行数值模拟。计算结果与相应的物理模型试验的对比、分析表明只要控制方程和离散求解方法选用恰当，以数值模拟方法作为研究调压室水力特性的补充验证手段，减少物理模型实验的复杂程度，缩短研究周期是可行的。关键词：调压室

2、，水头损失系数，数值模拟，物理模型实验中图分类号：TV71．调压室阻抗损失系数的概念调压室作为输水系统的重要组成部分，因其水流流态较为复杂，一直是学者们和设计部门关注和研究的重点。如果不能对其水力特性参数进行正确的判断，不仅会影响电站的工作效率，甚至会直接导致整个工程的失败。目前在各类已建成的水电站调压室中，阻抗式调压室是最常见的类型之一。[1]在其各项相关水力参数中，阻抗损失系数一直是人们最[1]为关注的问题，它的大小不仅对调压室的涌浪幅值和衰减速度有影响，而且在系统的稳定性分析以及水锤反射律分析中也扮演着重

3、要的角色。过去调压室阻抗损失系数的确定通常根据有关规范和手册，结合计算者的经验取值。然而一般水力计算手册只给出最典型的单一的几何流道的局部水头损失系数，而调压室是由若干不同形状的几何流道组合或结合而成，由于各流道之间通常相距很近或直接结合，故它们的水力特性相互关联，其总的水力特性一般不能简单由单一流道的水力特性叠加得到。另外过渡过程中不同的流动状态有不同的阻抗损失，而查手册或凭经验往往只能对水流进入或流出调压室时分别取某个固定值。[2]随着实际工程中调压室体型结构的不断变化，近年来又出现了很多新的结构形式。调压

4、室阻抗系数的精确计算对优化结构越来越显的重要。2．水头损失的计算公式记断面i和断面j之间的水头损失为∆H，由能量方程得ij22piαiVipjαiVj∆H=H−H=(z++)−(z++)(2－1)ijijijγ2gγ2g式中：H——控制断面总水头；V——控制断面的流速。由于控制断面均选在靠近尾水调压室的过流断面流速分布比较均匀之处，故可以近似的认为动能修正系数α=α=1，上式又可以表示为ijpV2pV2V2iijj∆H=H−H=(z++)−(z++)=ζ(2－2)ijijijijγ2gγ2g2g因此控制断面i,

5、j的水头损失系数可表示为(H−H)ijζ=(2－3)ij2V/2g断面流速V可以根据流量和断面面积求得，而断面总水头H根据试验测得[3]。-1-http://www.paper.edu.cn3.调压室的模型及其工况本文所要研究的某抽水蓄能电站一洞一机尾水阻抗调压室几何流道的形式如图所示，图1中尺寸单位为cm。图1抽水蓄能电站一洞一机尾水阻抗调压室整个流道包括调压室上（下）游输水隧洞段、调压室T型叉管段、调压室阻抗孔部分、调压室突扩部分、调压室主体部分。上（下）游输水隧洞断面均为圆形，上游断面直径6.2m，下游断

6、面直径5.4m；调压室阻抗段长0.8m，阻抗孔直径3.9m；调压室突扩部分是一个渐变段，长3m，从直径3.9m的圆形截面渐变到直径为9m的圆形截面；调压室主体部分是断面为圆形的柱体，直径为9m，高度为70.8m。抽水蓄能电站具有发电和抽水两种运行方式。根据这两种运行方式，在机组发生过渡过程中调压室具有十二种流态，其各自的流态图如表1所示。本文中将对下表中具有代表性的七、九、十一、十二四种流态进行数值模拟，对于其它流态，由于其多数是所选四种流态的对称情况或是所选四种流态在某些典型分流比时的特例，因此在本文中不再对

7、其进行专门研究。表1抽水蓄能电站调压室可能经历的流态运行方式工况发电抽水机组稳定运行(流态一)(流态二)水流全部流进调压室(流态三)(流态四)-2-http://www.paper.edu.cn水流全部流出调压室(流态五)(流态六)调压室水位上升（流态七）（流态八）调压室水位下降（流态九）（流态十）上下游分流（左）上下游合流（右）（流态十一）（流态十二）4．数值模拟及结果分析对于理想不可压缩流体，总水头H可以表示为2pVH=++z(4－1)ρg2g上式两边同乘以ρg，则有12ρgH=p+ρV+ρgz(4－2)2

8、12式中：p为静压强，简称静压；ρV称为动压强，简称动压；z为位置水头；2ρgH称为总压强，简称总压。在本文中定义总压ρgH=P，然后利用FLUENT软件输出总压的计算结果，再将其带入下式计算水头损失系数：2(P−P)ijζ=(4－3)ij2V/ρ2机组运行时的额定流量为66.5m/s，以这个流量为基准，分别根据表1中流态七、流态九、流态十一、流态十二的不同要求，计算各自边界面上的流速