抽水蓄能电站侧式进出水口出流水流特性研究

摘要

进出水口是抽水蓄能电站的重要主要组成部分，如果体型设计不当，出流时水流扩散过程中，在壁面会产生脱流、回流等现象，从而加大了水头损失，造成抽水蓄能电站效率的下降，而且还影响电站的安全稳定运行。对于同一进出水口来说，出流的水流流态要比进流的更复杂，更难于调整，水头损失也相对较大，因此有必要详细研究出流时进出水口的水力特性，优化进出水口的体型参数，使水流均匀、平顺扩散，以保证电站的安全、高效运行。 本文首先通过物理模型试验分析进出水口的水流特性，然后根据量纲分析理论，以经试验验证的三维数值模拟为研究手段，分析平面扩散角，扩散段长度，立面扩散角，分流墩布置形式，来流管道坡度等主要因素对进出水口水流特性的影响，为进出水口的优化设计提供参考依据。主要内容有以下几个方面： (1) 针对洪屏抽水蓄能电站上库进出水口的单体水工模型试验，分析不同工况下进出水口流速分布、各孔道的流量分配以及水头损失等水流特性，在此基础上对进出水口体型进行调整优化，并通过模型试验分析体型对出流的影响，对比分析优化体型的流态改善情况。 (2) 建立进出水口出流三维数值计算模型，并依据洪屏上库进出水口优化体型单体模型试验结果对所建立的进出水口三维数值模型进行验证计算，从进出水口流速分布、各孔道的流量分配以及水头损失等方面水流特性分析所建数值模型的合理可靠性。 (3) 通过所验证的三维数值模型，采用单因素比较的方法，计算分析进出水口各主要几何参数以及分流墩布置方式对水流特性的影响。研究表明，当进出水口的主要尺寸取值适当，就可以保证进出水口拦污栅断面流速分布以及各孔道流量分配基本均匀，从而使进出水口具有良好的出水流态。文中给出了进出水口主要几何尺寸推荐取值范围。 (4) 从拦污栅断面最大流速垂向位置、流速不均匀系数、各孔道流量分配系数和水头损失等方面分析不同来流雷诺数下，来流管道坡度对进出水口水流特性的影响，得出具有一定的来流坡度有利于水流均匀扩散的结论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2问题的提出

1.3侧式进出水口水流特性试验研究进展

1.3.1入流漩涡问题

1.3.2库盆流态

1.3.3流速分布及流量分配

1.3.4水头损失

1.4进出水口的数值模拟研究

1.4.1常用离散化方法

1.4.2自由水面的处理

1.4.3进出水口数值模拟研究进展

1.5本文的主要研究内容

第2章抽水蓄能电站进出水口出流物理模型试验

2.1工程概述

2.2抽水蓄能电站进出水口试验模型设计

2.2.1模型相似理论

2.2.2模型的设计和量测仪器的布置

2.2.3模型试验内容

2.3试验结果分析

2.3.1原设计体型试验

2.3.2体型优化试验

2.4小结

第3章进出水口出流三维数学模型建立

3.1紊流运动概述

3.2控制方程

3.2.1基本理论方程

3.2.2雷诺方程

3.2.3 k-ε双方程紊流模型

3.2.4近壁区紊流模型的处理方法

3.3边界条件

3.4网格划分

3.5模型求解

3.5.1离散格式

3.5.2流场的数值计算方法

3.5.3进出水口三维稳态水流的数值计算方法

3.6本章小结

第4章抽水蓄能电站进出水口出流数值模型验证

4.1进出水口的数值模拟过程

4.1.1计算区域的选取和网格的剖分

4.1.2计算初始条件和边界条件

4.1.3计算方法

4.1.4计算收敛标准

4.2数值计算结果验证和分析

4.2.1进出水口流速分布

4.2.2出口流量分配

4.2.3水头损失

4.3本章小结

第5章抽水蓄能电站进出水口出流水流特性数值分析

5.1引言

5.2进出水口水头损失的影响因素的量纲分析

5.2.1量纲分析理论

5.2.2进出水口水力特性影响因素的量纲分析

5.3数值模拟方案

5.4水力性能优化目标

5.5进出水口水流特性影响因素数值计算分析

5.5.1平面扩散角对水流特性的影响

5.5.2扩散段长度对水流特性的影响

5.5.3立面扩散角对水流特性的影响

5.5.4分流墩布置形式对水流特性的影响

5.5.5进出水口几何参数优化

5.5.6来流隧洞坡度对进出水口水流特性的影响

5.6本章小结

第6章结论和展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢