向慶銀
(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院,重慶 401120)
隨著我國對環保要求的大幅提高,同時受煤炭開采量與質量限制,火力發電量逐步受到限制;水利發電由于其清潔且可持續再生產的特點,成為目前國家大力推行的電能獲取形式。近年來,大量水電站在我國西南山區興建。然而,要高效利用水利資源必須增加水頭落差,而高水頭將導致下泄水流能量巨大,如不合理引導、耗散能量將沖刷下游河床,干擾河演平衡,嚴重情況下甚至會威脅溢洪道建筑物運行穩定。目前,臺階式溢洪道是常用的溢洪道消能形式之一。
為進一步研究臺階式溢洪道消能規律,本文選擇重慶市落中子水電站為研究對象,借助三維數學模型計算方法,分析不同坡率下臺階式溢洪道的水流特性、壓強分布以及消能效率對比。
重慶市落中子水電站位于重慶市酉陽縣的小清河,經緯度坐標為東經107°52′,北緯30°27′,距離酉陽縣城6.5km,距離重慶市62.3km,設計洪水位678.0m,校核洪水位681.5m,最大水頭落差39.2m,共設置有9臺發電機組,年設計發電量0.72億千瓦時。主要向酉陽縣城供應電能。
落中子水電站溢洪道全長約660m(設計樁號自溢0+000至溢0+657.6),其中消能布置采用梯坎段+消力池的組合形式。落中子水電站溢洪道平面設計示意圖如圖1所示。
結合本工程的實際建設情況、各權威軟件的適用性,綜合選擇大型三維計算軟件FLUENT,采用CFD模塊進行計算,可以精確地模擬復雜幾何區域內的流體流動。
根據類似工程經驗,共設置1∶1.5和1∶1.0兩種坡比的計算模型進行對比計算。兩類模型的斷面設置如圖2所示。
為保證計算精度,網格間距設為0.1m,同時,為保證計算效率,對于上游邊墩處的網格間距適當增大,設置為0.5m。方案一整個模型共有6258個網格和9630個網格節點。方案二整個模型共有6072個網格和9330個網格節點。方案一的部分網格劃分設置如圖3所示。
根據實際工程的情況以及部分實驗率定,選擇設計工況(設計洪水)作為模型計算工況,模型進口單寬流量為30m3/s,同時取單寬流量為20m3/s、10m3/s兩組工況作為增加對比工況。溢洪道底板率取0.022,溢洪道兩處邊壁糙率取0.024,紊動能系數取0.28。為保證計算精度以及模型計算結果收斂性,計算時間步長取0.1s。
圖1 落中子水電站溢洪道平面設計示意圖
圖2 對比計算模型試驗設計
圖3 方案一的部分網格劃分設置
對上述兩種方案進行數學模型計算,并分別從流速、壓力、消能率幾個方面分別對比兩種方案的實際情況。
設計洪水工況(單寬流量為30m3/s)下,方案一與方案二臺階段沿程流速分布如圖4所示,同時,在單寬流量分別為30m3/s、20m3/s、10m3/s工況下,22#臺階處方案一與方案二在不同水深處流速統計如圖5所示,圖5中橫坐標為水流流速,縱坐標為統計點處的水深值。分析可知:
圖4 設計工況下各方案溢洪道臺階段沿程流速分布
圖5 22#臺階處方案一與方案二在不同水深處流速統計
(1)在設計工況下,沿水深方向流速等值線層次變化十分明顯。水流在堰頂處流速約為10m/s,隨著水流逐漸下泄,重力勢能轉換為動能,流速迅速增大,同時,臺階對水流能量的耗散不能完全抵消重力勢能的轉換。
(2)在設計工況下,在進入消力池時,方案一的主流流速增加到15.2~19.2m/s;方案二的主流流速增加到16.3~19.8m/s,方案二的主流流速要略大于方案一。
(3)在各工況下,下泄水流表面流速要遠低于底部流速。
設計洪水工況(單寬流量為30m3/s)下,方案一與方案二在22#臺階段沿程壓強等值線分布如圖6所示。同時,在單寬流量分別為30m3/s、20m3/s、10m3/s工況下,22#臺階處方案一與方案二在不同水深處壓強統計見圖7(圖7中橫坐標為壓強值,縱坐標為統計點處水深與臺階高度h的比值)。分析可知:
圖6 設計工況下各方案在22#臺階處壓強等值線
圖7 22#臺階處方案一與方案二在不同水深處壓強統計
(1)在設計工況下,三個流量的壓強隨著臺階高度的增加逐漸減小,在0.6h處壓強為零,之后隨高度增加壓強逐漸減小至負壓,當到0.75h時,壓強降到最小,之后又開始增加。
(2)分析圖7可知,約在0.75h處,壓強的最小值(此時負壓絕對值最大)由大到小所對應的流量依次為單寬流量30m3/s、20m3/s、10m3/s工況。由此可見,流量最大,負壓絕對值最大;流量最小,負壓絕對值最小。各體形時的壓強曲線為一“S"狀。究其原因,推測為隨著單寬流量的增加,水流流速增加,滑行水流的拽動作用即卷走臺階內空氣的能力亦增加,負壓絕對值亦增加。這與水流流速過大容易產生空蝕現象吻合。
(3)從圖7中可分析出,方案一在0.88h處時,壓強從負壓上升為零壓,而方案二對應的位置約為0.93h,可見臺階段形態不同對壓強分布有一定影響。
(4)總體來看,在相同位置,其他條件一致的情況下,方案二的壓強要略大于方案一。
溢洪道在梯坎段進、出口時水流的能量差與進口時水流能量的比值即為消能效率,如下式:
(1)
式中,E1—溢洪道進口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和;E2—溢洪道出口單位重量水流的重力勢能與動力勢能之和。
實例工程各工況下梯坎段消能效率結果統計見表1。分析可知,方案一的坡度小于方案二,水流在下泄過程中經過了充分摩擦、旋滾,水流能量被更高效消耗,能量耗散比例更高。因此,在相同工況下,方案一的消能效率要高于方案二。
表1 方案一與方案二在各工況下消能效率對比
本文以重慶市落中子水電站溢洪道臺階段為研究對象,借助FLUENT CFD模塊進行計算,對比了1∶1.0和1∶1.5兩種坡度下溢洪道臺階段的水流流態、壓強分布和消能效率,研究結果顯示:
(1)在設計工況下,方案一、方案二在臺階段出口處的流速分別為15.2~19.2m/s和16.3~19.8m/s,在其他流量工況下,方案一的出口流速也同樣要小于方案二。
(2)在設計工況下,方案一、方案二分別在0.88h/0.93h處開始,壓強從負壓上升為零壓,總體來看方案二的壓強要略大于方案一。
(3)方案一的坡度小于方案二,水流在下泄過程中經過了充分摩擦、旋滾,水流能量被更高效消耗,在相同工況下,方案一的消能效率要高于方案二。
(4)綜合對比可知,在各流量工況下,方案一的出口流速、壓強值更小,消能效率更高。因此,綜合確定方案一為推薦方案。