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芭蕾水电站进水口流态数值模拟研究

2025-07-20 54 上传者：管理员

摘要：根据芭蕾水电站运行环境要求，在进水口塔架前设置一定高度的叠梁门，使电站始终从水库表层取水发电，从而保证对下游河道水质要求。水流通过叠梁门与进水口之间的竖直进水室进入拦污栅，拦污栅前流态复杂，拦污栅处流速分布不均。针对此状况，介绍了芭蕾水电站进水口数值分析模型，分析了叠梁门设置高度对拦污栅过栅流速、流态的影响，为拦污栅设计及高水头电站的运行提供了理论依据。

关键词：
分层取水
叠梁门
拦污栅流速
数值模拟
电站进水口
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国内一些大型的水电站都采用了表层取水,可以有效减轻下泄水流对下游水生态环境造成的负面影响,这类工程大多采用在进水口拦污栅后设置叠梁门的方式取水,满足环保设计的有关要求｡芭蕾水电站发电水头187m,采用分层叠梁门表层取水,与国内大多数工程相比,分层取水采用将拦污栅设置于叠梁门下游侧的布置型式,水流通过叠梁门与进水口之间的竖直进水室进入拦污栅,这就使拦污栅前流态复杂,可能引起拦污栅处流速分布不均,过栅流速不满足相关规范要求｡目前对该型式的水力学研究较少,亟需开展分层取水进水口流态优化研究｡本文对在建的马来西亚芭蕾水电站进水口的进口流态进行数值模拟,并提供拦污栅前的流速分布,为拦污栅的设计和叠梁门的设置高程提供依据｡

1、工程概况

芭蕾水电站位于马来西亚沙捞越西南部人烟稀少的地区,位于芭蕾河上,距与普泰河交汇处上游约3km｡枢纽主要由混凝土面板堆石坝､左岸电站进水口及发电厂房､溢洪道､低位运行洞等建筑物组成｡最大坝高192m,坝顶高程225.2m｡水库正常蓄水位220.0m,总库容298.7亿m3｡电站厂房布置在左岸,总装机容量1285MW｡

电站进水口位于左坝肩与溢洪道之间,进水口引渠长约130m,宽114.0m,底高程178.50m,引渠左侧为开挖后的山体,右岸与左坝肩通过混凝土挡墙邻接｡进水口分5个闸室段,每个闸室段后接一条压力钢管通往发电厂房｡各进水塔之间设置永久结构缝,间距为23m,进水塔顺水流方向长度53.25m｡进水口底板顶高程EL180.0m,基础建立在新鲜或微风化的岩石上,顶部操作平台设置在E.225.2m高程,与大坝坝顶高程保持一致,进水口塔架总高度47.7m｡

每个进水塔自上游而下依次布置有叠梁门､拦污栅､检修闸门､事故闸门及长6m的方变圆渐变段,最后与直径为5.8m的压力钢管连接(见图1)｡由于下游河道有水质要求,电站引水尽量取自水库表层10m范围,所以在进水塔前缘设置有叠梁门,通过调节叠梁的顶部高程,实现引水库表层水始终进入压力钢管｡

图1进水口纵剖面图

根据合同技术条款,拦污栅位置总面积上的流速限制为1.2m/s,美国标准USACE(1980)HydraulicDe-signofReservoirOutletWorks,USACE,EM1110-2-1602,规定拦污栅处流速不超过0.9m/s~1.2m/s,因此对叠梁门､拦污栅的布置进行研究,以验证是否满足技术条款要求｡

2、研究目的及模型建立

2.1研究目的

通过数值模拟研究进水口的流态分布情况,分析叠梁门不同高度对进水口流态及拦污栅流速的影响,提出推荐的叠梁门设置高度,最大程度地减少不稳定水流对拦污栅的结构破坏,将过栅流速限制在规范允许范围内｡

2.2数值模拟方法

随着计算流体动力学(CFD)的不断发展,数值模拟已成为研究复杂流动现象的重要手段[1-5]｡本研究采用Flow-3D数值模拟软件,针对进水口的流态进行精细化的模拟分析,深入探究进水口流速､流态分布特征｡

2.3数学模型

在CFD工具中,k-ε湍流模型被广泛使用｡大量的数值模拟结果表明,RNGk-ε模型在处理高应变率和流线弯曲程度大的流动时更有效｡在RNGk-ε模型中,k方程和ε方程如下:

其中,k为湍动能;ε为湍流耗散率;μeff为有效粘性系数;μ为流体的动力粘度;μt为湍流运动粘度;αk和αε为有效普朗特数(Prandt1);Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生;Eij为时间平均应变率｡RNGk-ε模型中的常数:Cμ=0.0845,C1ε=1.42,C2ε=1.68,αk=αε1.39,η0=4.377,β=0.012

2.4边界条件

水流进口边界,上游库水位设定为压力入口边界;管道出口边界根据引用流量和管道断面积,设定为流速出口;空气边界为大气压力边界;固壁边界规定为无滑移边界条件｡

2.5计算工况

限于篇幅,这里仅介绍水库水位在EL214m､流量177.7m3/s时的计算结果,该工况为5台机组以额定最大输出功能运行工况,是影响拦污栅流速､流道水头损失十分重要的最大流速运行工况｡

由于单节叠梁门高2.5m,因此计算时水位维持214m不变,按5m逐渐降低叠梁门的高程｡通过改变叠梁门的顶部高程,对拦污栅流速分布进行敏感性分析｡

3、模拟结果及分析

3.1叠梁门不同设置高程计算结果

水位在EL214m､流量177.7m3/s､不同叠梁门高程时的进水口流速分布矢量图见图2—图7｡

图2水位214m,叠梁门顶高程204m,流量177.7m3/s

图3水位214m,叠梁门顶高程199m,流量177.7m3/

图4水位214m,叠梁门顶高程194m,流量177.7m3/s

图5水位214m,叠梁门顶高程189m,流量177.7m3/s

图6水位214m,叠梁门顶高程184m,流量177.7m3/s

图7水位214m,无叠梁门,流量177.7m3/s

表1计算结果汇总表

从图中看出,拦污栅处流速分布不均,最大流速出现在叠梁门顶部,不同叠梁门高度叠梁门顶的流速计

3.2结果分析及推荐高程

从流速等值线云图可以看出,由于叠梁门的存在,使得进水口取水断面缩小,进口高程抬高,叠梁门与拦污栅之间的进水室内水流条件复杂,进水室流速分布不均,导致拦污栅处流速分布不均,总体上顶部流速大,底部流速小,在叠梁门顶高程204m时,顶部最大流速达2.5m/s,在叠梁门顶高程199m时,顶部最大流速达2.09m/s｡分析结果表明,只有进水口不设叠梁门时,流速分布均匀且比较小｡

根据其他实际工程模型试验结果[6-7],叠梁门运行时多存在拦污栅断面流速分布不均､门顶流速达2m/s~3m/s的情况｡说明本工程虽然在拦污栅顶部局部流速较大,但也在类似工程[8-9]正常范围内,不会造成拦污栅的结构破坏,进水口体型设计较合理｡合同技术条款中要求拦污栅平均过栅流速小于1.2m/s,对局部最大流速没有相关规定,因此完全将局部流速降低到技术条款中要求的平均流速内并不可取｡经计算拦污栅平均过栅流速0.78m/s,已满足合同技术条款要求｡

流态方面,同一库水位,叠梁门高程越高,取水断面越小,进水室内流速越大,流态也越差;反之,叠梁门顶高程越低,取水断面越大,进水室内流速越小,进水室流态越好,但会对电站引用水库表层水产生影响｡

综上所述,结合计算结果､拦污栅流速分布及进水室流态,并考虑取用水库表层水的需求,对叠梁门设置高程进行优化,寻求最优平衡点｡经分析认为叠梁门顶高程在运行水位以下15m时对拦污栅局部最大流速改善较明显,且基本满足下游用水需求,以此为标准给出了工程不同运行水位下推荐的叠梁门顶设置高程｡水库最高洪水位EL225m､流量159.0m3/s运行时,叠梁顶高程可设在210m;正常蓄水位EL220m､流量164.0m3/s运行时,叠梁顶高程可设在205m;水库水位在EL214.00m､流量177.7m3/s时,叠梁顶高程可设在199m;最低运行水位EL205m时,叠梁顶高程可设在190m｡

4、结语

本文根据马来西亚芭蕾水电站工程进水口叠梁门､拦污栅的布置体型与运行条件,针对拦污栅流速分布的变化规律进行了研究｡综合考虑进水口流态､拦污栅流速和取用水库表层水的需求,得出以下结论:

1)同一库水位,叠梁门顶高程越高,取水断面越小,进水室内流速越大,拦污栅顶部流速越大;反之,叠梁门顶高程越低,取水断面越大,进水室内流速越小,拦污栅顶部流速越小｡

2)由于叠梁门的设置使得过栅流速分布不均属正常现象,在满足规范对平均过栅流速要求的前提下,可通过调整叠梁门设置高度将局部流速限制在合理范围内,不会对拦污栅结构造成破坏｡

3)计算结果表明,拦污栅前过流断面越大,过栅流速越均匀,因此在经济允许范围内应尽可能加大叠梁门与拦污栅间距,减小对拦污栅结构的影响｡

参考文献:

[1]段文刚,黄国兵.大型电站叠梁门分层取水进水口水力特性研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2015(10):380-384.

[2]柳海涛,孙双科,郑铁刚.大型水电站叠梁门进水口拦污栅流速分布特性分析[J].水利水电技术,2018,49(3):89-96.

[3]杜兰,许学问.叠梁门分层取水式电站进水口流场数值模拟研究[J].中国农村水利水电,2013(8):158-165.

[4]杨建东,金峰,姜治兵.分层取水式电站进水口水力特性数值模拟研究[J].人民长江,2010,42(13):79-82.

[5]高学平,李妍,宋慧芳.糯扎渡水电站进水口分层取水数值模拟研究[J].水力发电学报,2010,29(6):132-137.

[6]张东,张文元.溪洛渡水电站进水口分层取水叠梁门闸门工作特性及水工模型试验研究[R].北京:中国水利水电科学研究院,2010.