泵站电站进水口分层布置下泵站开启对电站运行影响研究

韩继斌，任坤杰，杨青远

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

泵站电站进水口分层布置下泵站开启对电站运行影响研究

韩继斌，任坤杰，杨青远

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

泵站、电站进水口分层布置，可充分利用河谷宽度，减少工程开挖量。但在此布置下，泵站开启过程对电站进水口可能形成不利的水流流态，影响电站的正常运行。针对以上问题，结合动网格技术，采用k ε紊流模型对某枢纽泵、电站分层布置进水口水力特性进行了三维数值模拟，通过分析电站进水口附近水体的压力变化，解析泵站开启对电站正常运行的影响。结果表明泵站开启过程对电站正常运行有一定的影响。

泵站；电站进水口；分层布置；泵站开启；压力变化

1 研究背景

电站进水口位于电站引水系统的首部，是电站的重要组成部分。电站运行时要求进水口水面波动小、进流平顺，避免出现有害吸气漩涡，且具有较小的水头损失，提高发电效率。当工程任务是以泵站供水为主而兼顾发电时，可将泵站、电站进水口交错分层布置，充分利用河谷宽度、减小坝线长度、节约工程开挖量。但在此类布置下，二者运行可能形成干扰，特别是泵站开启过程对电站进水口形成不利的水流流态，影响电站的正常运行。

近几年，学者们利用数学模型，研究了电站进水口水力特性，并取得了一定的成果。陈云良等（2005年）［1］与叶茂等（2007年）［2］研究了电站进水口漩涡的形成；高学平等（2006年）［3］与张正楼等（2009年）［4］研究了侧式双进／出水口水流流动特性；章军军等（2008年）［5］研究了侧式短进出水口水力特性；最近，李妍等（2010年）［6］对电站进水口的水流流态、水头损失等方面进行了研究。而就泵、电站分层布置的进水口水力特性的研究成果极少。

本文拟采用k ε紊流模型对某枢纽泵、电站分层布置下进水口水力特性进行了三维数值模拟，分析泵站开启对电站正常运行的影响。

2 数学模型

2．1 控制方程

连续方程：式中：t为时间；ui，uj为速度分量；xi，xj为坐标分量；ν，νt分别为运动黏性系数与紊动黏性系数，νt＝Cuκ2／ε；p为修正压力；fi为质量力；κ，ε分别为紊动能与紊动耗散率；Cκ为平均速度梯度产生的紊动能σk＝1．0，σε＝1．33，C1ε＝1．44，C2ε＝1．42。

自由面采用VOF方法进行处理，令函数αw（x，y，z，t）与αa（x，y，z，t）分别代表控制体积内水、气所占的体积分数。在每个单元中，水、气体积分数之和为1，即

对于单个控制体积，存在3种情况：①αw＝1表示该单元完全被水充满；②αw＝0表示该单元完全被气充满；③0＜αw＜1表示该单元部分为水，部分为气，并且存在水、气交接面。显然，自由面问题为第3种情况。水的体积分数αw的梯度可以用来确定自由面的法线方向。计算出各单元的αw值及梯度之后，就可以确定各单元中自由边界的近似位置。

水的体积分数αw的控制方程为

式中参变量含义同上。水气界面的跟踪通过求解该连续方程完成。

2．2 模拟范围与计算条件

选取1台电站机组与1台引水泵站为研究对象。

2．2．1 模拟范围

图1给出了数学模型的模拟范围。

图1 模拟范围示意图Fig．1 Sketch of the simulated part

沿水流方向：库区段长100．0 m，桩号0－115．4 m至0－015．4 m（定义坝轴线桩号为0＋000，下同）；进水口段长5．9 m，桩号0－015．4 m至0－009．5 m，包括拦污栅与通仓段；引水管道段长度为239．5 m，桩号0－009．5 m至0＋230．0 m。整个沿水流方向模拟范围包括喇叭口段、闸门槽段、方变圆段、弯管段及部分直管段，总长度为345．4 m。

垂直水流方向：模拟的库区宽度为进水口前缘宽度24 m。

沿水深方向：库区、进水口段高程408．0～452．0 m；引水管道段高程393．3～552．9 m。

2．2．2 网格划分

计算区域采用六面体网格进行划分，网格总数约为100万，泵站阀门处采用动网格模拟。图2（a）为计算区域壁面网格示意图，图2（b）为泵站阀门处网格细部图。定义坐标系统：x沿水流方向，y垂直于水流方向，z为沿水深方向。

图2 计算网格示意图Fig．2 M eshes of the computational domain

2．2．3 边界条件

开边界：库区入口为压力入口，即上游边界给定水位；电站引水管道出口为速度出口，出口流速为恒定值；泵站引水管道出口，为压力出口，阀门瞬开时，压力设为常量，阀门渐开时压力为时间的函数值。

固壁边界：规定无滑移边界条件；模拟阀门渐开时，阀门处采用动网格模拟。

2．2．4 模拟工况

模拟工况见表1。

表1 模拟工况Tab le 1 W orking conditions in the simu lation

3 计算结果及分析

数学模型针对以上几组工况进行模拟。

3．1 泵站阀门处流速、流态

此处仅给出电站引水流量126．1 m3／s、库水位450 m、泵站引水流量14．08 m3／s时，泵站阀门开启0，3，5，8 s，水体通过阀门流向引水管出口的水气两相分布见图3，阀门附近流速分布见图4。图3中数值1表示为水体，0则为空气，介于0和1之间则为水气混合状态。

阀门关闭时，水体受阀门阻挡作用处于静止状态（图3（a）、图4（a））；阀门开启瞬间，由于阀门两侧存在较大的压力差，内部水流以高速射流形态冲出阀门，水体充盈阀门附近管道，在较远的管道内有水气两相弥漫，阀门附近射流区流速高达40 m／s以上（图3（b）、图4（b））；阀门开启5 s时，射流区已充分发展（图3（c）、图4（c））；至阀门开启8 s时，阀门外水平管道内已被水体充盈，高速射流区范围不断扩大，流量也逐渐增大（图3（d）、图4（d））。

图3 随泵站阀门开启阀门处水气两相分布Fig．3 Distribution of water air two phase on the valve gate during its opening

图4 随泵站阀门开启阀门处流速分布Fig．4 Velocity distribution at the valve gate during its opening

3．2 压力变化

在电站进水口前缘与通仓中部设置压力监测点，其高程均处于库水位以下2 m处，检测监测点处随泵站阀门开启的压力变化过程。图5、图6为泵站阀门开启时各监测点压力的变化过程，测点处压力最大波幅见表2。

表2 压力变化波幅最大值Table 2 M aximum pressure fluctuation

图5 库水位440．55 m阀门瞬开、渐开监测点处压力变化Fig．5 Pressure variations atmonitoring points in the presence of instantaneous opening and gradual opening of valve（water level 440．55m）

图6 库水位450m阀门瞬开、渐开监测点处压力变化Fig．6 Pressure variations atmonitoring points in the presence of instantaneous opening and gradual opening of valve（water level450m）

由图5、图6可以看出，各工况下进口前缘与通仓处压力变化趋势基本一致，进口前缘压力波幅略大于通仓。在同一库水位下，阀门渐开时的最大压力波幅是瞬开时的1／2倍；在不同运行水位下，高水位运行时的最大压力变化波幅是低水位运行时的1／2倍。而物理模型测得的库水位450 m、泵站阀门渐开时电站通仓内最大压力波幅为0．29 m，数学模型测得的相应压力波幅为0．33 m，数学模型计算值与物理模型测量值基本吻合。研究成果表明泵站阀门的开启速度对压力变化波幅有重要影响，适当调整阀门的开启速度可减小水体的压力变化波幅；泵站开启对电站影响的不利工况应为低水位运行工况。

4 结 语

（1）本文结合动网格技术，采用k ε紊流模型对泵站、电站进水口分层布置进水口水力特性进行了三维数值模拟，特别是阀门开启过程的模拟。模拟得到的电站进水口附近最大压力变幅与物理模型试验成果吻合较好，说明采用的模拟的方法是合理可靠的。

（2）泵、电站分层布置进水口，泵站开启过程对电站正常运行有一定的影响，在同一库水位下，阀门渐开时的最大压力波幅是瞬开时的1／2倍；泵站阀门的开启速度对压力变化波幅有重要影响，适当调整阀门的开启速度可减小水体的压力波幅。

［1］ 陈云良，伍 超，叶 茂，等．水电站进水口水流流态的研究［J］．水动力学研究与进展（A辑），2005，20（3）：340－345．（CHEN Yun liang，WU Chao，YEMao，etal．Research for Flow Pattern in Intake of Hydroelectric Station［J］．Journal of Hydrodynamics（Ser．A），2005，20（3）：340－345．（in Chinese））

［2］ 叶 茂，伍 超，杨朝晖，等．进水口前立轴漩涡的数值模拟及消涡措施分析［J］．四川大学学报（工程科学版），2007，39（2）：36－40．（YE Mao，WU Chao，

YANG Zhao hui，et al．Numerical Simulation of Vertical Vortex at Intake and the Analysis of Anti swirl Method［J］．Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2007，39（2）：36－40．（in Chinese））

［3］ 高学平，叶 飞，宋慧芳．侧式双进／出水口水流运动三维数值模拟［J］．天津大学学报，2006，39（5）：519－522．（GAO Xue ping，YE Fei，SONG Hui fang．3D Nu merical Simulation on the Flow in Side Inlet／Outlet［J］．Journal of Tianjin University，2006，39（5）：519－522．（in Chinese））

［4］ 张正楼，郑亚军，雷兴春，等．抽水蓄能电站侧式双进／出水口三维数值模拟［J］．水电能源科学，2009，27（1）：158－160．（ZHANG Zheng lou，ZHENG Ya jun，LEIXing chun，et al．3D Numerical Simulation of Flow in Two Lateral Inlet／Outlet at Pumped Storage Plant［J］．Water Resources and Power，2009，27（1）：158－160．（in Chinese））

［5］ 章军军，毛根海，程伟平，等．抽水蓄能电站侧式短进出水口水力优化研究［J］．浙江大学学报（工学版），

2008，42（1）：188－192．（ZHANG Jun jun，MAO Gen hai，CHENGWei ping，etal．Hydraulic Shape Optimiza tion on Lateral Inlet／Outlet of Pump Storage Plant［J］．Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2008，42（1）：188－192．（in Chinese））

［6］ 李 妍，高学平，徐茂杰，等．水电站进水口水力特性数值模拟研究［J］．水利水电技术，2010，41（1）：29－32．（LIYan，GAO Xue ping，XU Mao jie，et al．Study on Numerical Simulation of Hydraulic Characteristics of Intake for Hydropower Station［J］．Hydraulic and Hydro power Engineering，2010，41（1）：29－32．（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

Effect of Opening the Pumping Station on the Hydropower Operation w ith M ulti levelW ater Intake

HAN Ji bin，REN Kun jie，YANG Qing yuan
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Themulti level intake of pumping station and hydropower stationmakes full use of the river valley width and reduces the amountof engineering excavation．However，the opening of pumping station’s valvemightgive rise to adversewater flow pattern at the intakes and affect the normal operation of hydropower station．By employing dy namicmesh technique and adopting k εeddy flow model，we carried out3 D numerical simulation on the hydraulic characteristics at themulti level intakes of a pumping station and hydropower station．By analyzing the water pres sure variation in the vicinity of the intakes，we conclude that the opening of pumping station’s valve have certain impact on the normal operation of hydropower station．Under the same reservoir water level，the maximum water pressure fluctuation when the gate is gradually opened is half of thatwhen the gate is instantaneously opened．

pumping station；water intake of hydropower station；multi level；opening of pumping station；pressure variation

TV135

A

1001－5485（2013）08－0001－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．001

2013，30（08）：1－4

2013－05－03；

2013－07－19

韩继斌（1968－），男，湖北汉川人，教授级高级工程师，主要从事水力学及河流动力学研究，（电话）13308629798（电子信箱）hanjb＠mail．crsri．cn。