水电站叠梁门分层取水进水口漩涡特性及临界淹没水深研究

发布时间：2020-10-19 21:06

　　 漩涡是电站进水口前常见的流动现象,当进水口淹没水深较小时容易形成吸气漩涡,对水电站运行安全十分不利,是电站进水口设计和运行过程中重点关注的问题。叠梁门分层取水是一种出于对生态环境保护考虑,引取水库表层高温水体发电的新型电站进水口型式。叠梁门对进口漩涡的影响规律如何,避免产生吸气漩涡的临界淹没水深如何界定,目前相关研究较少,是这种新型电站分层取水设施亟需重点解决的问题。本文以某水电站叠梁门分层取水进水口为工程背景,采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法,对进水口的水力特性,特别是进口漩涡特性及临界淹没水深等方面进行了研究。1、建立叠梁门分层取水进水口三维数值模型并结合试验验证数值计算的可靠性。分析叠梁门分层取水进水口水流运动特点,数值模拟采用RNG K-ε模型及VOF两相流模型求解进水口三维湍流问题。数值模拟的流速、压强以及水头损失系数与试验观测结果吻合良好,可用于对叠梁门进水口的水力特性开展研究。2、针对叠梁门后进水口表面出现的漩涡现象进行数值模拟计算。计算采用较高精度的网格以及VOF的几何重构法模拟原型叠梁门分层取水进水口流场,并结合大比尺模型试验漩涡观测结果进行对比分析,对比结果表明二者吻合较好,采用的数学模型能较好地模拟叠梁门后进水口流态、漩涡直径、漩涡类型等特性。3、揭示叠梁门门顶淹没水深及流量与进水口漩涡产生和发展的规律。结合数值模拟及模型试验结果,从叠梁门进水口漩涡类型、漩涡直径、最大凹陷深度、多圈螺旋运动持续深度以及进水口水面Q'值分布等角度分析进水口漩涡特征,研究结果表明:随着叠梁门门顶淹没水深的减小或流量的增大,漩涡强度逐渐增强。4、以弗劳德数为控制参数围绕叠梁门进水口临界淹没水深展开试验观测和数值计算。通过模型试验获得电站进水口0.2 SFr≤1.04范围内的临界淹没水深,再通过数值模拟对更大及更小弗劳德数延伸工况进行漩涡计算分析,综合得到0.1Fr1,27范围内叠梁门的进水口临界淹没水深。5、提出适用于新型叠梁门式电站分层取水进口临界淹没水深的计算公式。在分析形成漩涡的影响因素的基础上进行临界淹没水深的量纲分析,分析得到相对门顶临界淹没水深SID与弗劳德数Fr的关系,并综合物理模型与数值模拟的数据进行拟合,得到适用于新型叠梁门式电站进水口临界淹没水深公式。采用数值模拟、模型试验相结合的方法揭示叠梁门式电站分层取水进水口漩涡产生和发展的规律,并提出适用于叠梁门分层取水进水口临界淹没水深的计算公式是本文两大创新点。研究成果具有很强的科学意义和应用前景,可为类似电站进水口工程设计和安全运行提供科学参考依据。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV732.1
【部分图文】：

我国 48 座水电站中，有 33 座占 69％的水电站进水口，前缘水域发生过漩涡问题际大坝会议曾将进水口漩涡问题作为一个水力学问题提出[10]，由此可见进水口漩涡的重要性。漩涡运动的机理及规律很复杂。实际工程中，诱导漩涡形成的原因主要有[11]：(的来流条件；(2)进水口型式；(3)重力及柯氏力等。库区水流进水进水口中，流经拦，经叠梁门门顶进入竖向流道，最后进入喇叭进水口。整个流动过程中，进水口内设柱、墩、支撑梁等结构会对水流流场产生作用。模型试验以及原型观测资料表明在进水面都有可能产生持续产生或间歇出现的漩涡[12][13]。当进水口水流条件变化时，漩形态及其吸气程度有所不同。从工程的角度出发，进水口形成的漩涡，一般分为表面漩涡、间歇吸气漩涡、贯通式漩涡三种[14]。美国麻省 Worcester 综合研究所 Alden 实究室将进水口表面产生的漩涡依据产生漩涡的强度由弱到强依次为六种类型：第一面涡纹和第二类表面凹陷涡为表面漩涡，漩涡强度较弱，在工程中允许存在；第三类核涡以及第四类携物漩涡表面凹陷，漩涡强度较弱，其危害程度一般不严重，实际工应努力防止出现；第五类间歇吸气涡表面凹陷较深，间歇携气进入进水口；第六类连气涡属于强吸气漩涡，可能引起较严重的后果，工程中通常不允许出现[15]。

西安理工大学硕 学位论文 1' 'i ij i j ij i ju u pu u u gt x x x (2-7)式中，' 'i j u u为紊动应力项。以上方程中，未知量有 10 个，已知方程只有 4 个，因此需要引入湍流方程使方程组封闭才可求解。紊流数值模拟方法主要可以分为直接数值模拟及非直接数值模拟。在 FLUENT 中简介数值模拟方法大值可分为以下三类，如图 2-1。第一类是湍流运输系数模型，依据建立模型所需要的微分方程数量，可以分为零方程模型，单方程模型以及双方程模型。第二类是直接建立湍流应力和其他二阶关联的输运方程。第三类是大涡模拟。

2 电站分 取水进水口三维 流数学模型难度。对水气两相界面附近的差值，Fluent 中 VOF 模型中有四种方案计算面的通量分别是几何重建（geometric reconstruction），物质接受（donor-accept）以及欧拉显式和隐式。欧拉显式和欧拉隐式采用标准有限差分法，在两相流模拟中应用较少，几何重建及物质接受方案则采用特殊插值方法处理界面单元体。从图 2-2 中可以看出，几何重建方法对两相流界面相比于物质接受法更接近真实界面情况。在 FLUENT 中，几何重构方案使用标准差值法获得界面的通量，当单元靠近两相之间的界面时，使用几何重构方案。在描绘两流体直接的界面方面，几何重建方案使用分段线性方法最为精确，并合适通用的非结构化网格的计算。因此本文采用几何重构方法对进水口漩涡液面进行追踪。
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本文编号：2847728