寒区引水渠道抽水融冰过程的数值模拟分析

熊慧，吴素杰，胡璇，李望芝，黄义博

（1石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子832000；2丰都县土地储备整治中心，重庆 408200）

寒区引水渠道抽水融冰过程的数值模拟分析

熊慧1，吴素杰1，胡璇2，李望芝1，黄义博1

（1石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子832000；2丰都县土地储备整治中心，重庆 408200）

抽水融冰可以有效解决寒区引水渠道冬季运行冰害问题，为了认识不同边界条件下抽水融冰过程中水温的变化规律，为实际工程的设计和管理等提供技术依据，本文以玛纳斯河流域红山嘴电站的引水渠道为研究对象，采用FLUENT软件建立了引水渠道和抽水融冰井的数学模型，并以此为模型工具对不同研究工况下引水渠沿程水温进行了数值模拟分析，并将计算结果与实测数据进行比较验证，结果显示：混合水温和井水流量、井水水温、渠道原始水温均呈正相关关系，渠道原始流量和混合水温呈负相关关系。根据上述模拟结果，在实际工程中采取增加井水流量可更容易、更有效地解决渠道冰害问题。

引水渠道；抽水融冰；水温；数值模拟；渠道冰害

红山嘴电站地处新疆北部，冬季长且气候严寒，长距离与空气接触的引水渠道经常受到冰害而出现冰塞、冻胀、冰盖等现象，情况严重还会使渠道彻底断流而使水电站彻底陷入瘫痪。经过长期的摸索和研究，红山嘴电站利用地下水注入引水渠道取得了良好的除冰效果。

我国最早应用抽水融冰技术成功实现寒区水电站冬季运行发电的是青海省香加水电站；刘新鹏等以红山嘴电站为对象，探究了其抽水融冰运行的原理以及存在关键问题[1]；黄酒林、赵梦蕾等以红山嘴电站为对象，通过原型观测和模型试验介绍分析了抽水融冰基本原理及运行效果[2-3]。

白乙拉等以红旗泡水库为对象，对其冰盖厚度的增长变化进行了模拟研究[4]；王军等不仅模拟研究了冰塞堆积过程，还对直道和弯道水流速度场变化进行了模拟，并对有槽段水内冰花的上浮率进行了仿真计算[5-7]；宋小艳等通过模型试验与数值模拟相结合，研究分析引水渠潜冰的运动规律[8]。另外的研究主要集中在利用数学模型，对河冰进行数值计算[9]；Shen等[10-11]提出了RICEN 模型对冰塞体的溃决过程进行了模拟；Liu等[12]对圣劳伦斯河水内冰的形成过程进行了模拟；Chen等[13]分别对浮冰以及悬浮水内冰的水温进行了模拟研究。

综合上述研究可知，目前国内外对抽水融冰的研究较少，对引水渠抽水融冰水温变化过程的数值模拟分析更少，且相关研究主要集中在对实际工程抽水融冰技术的实际运行情况及效益方面。因此本文借助FLUENT软件，以红山嘴电厂引水渠道和抽水融冰井为对象建立模型，对红山嘴电站应用抽水融冰水温变化过程进行数值模拟，并对不同工况下的融冰效果进行分析，从而为正在运行的寒区电站抽取地下水或温泉水等融冰方法的管理提供技术支持，也可以为新建电站引水渠道的抽水融冰方法的设计提供理论依据。

1 模型的建立及边界条件

1.1 模拟模型

针对新疆玛纳斯河流域红山嘴电站引水渠道，在FLUENT中的GAMBIT软件建立引水渠道的实际2D模型。模型引水渠道长为850 m，宽为5.8 m（渠道水面平均宽度为10.6 m，渠底宽度为1 m，取渠道平均宽度为5.8 m），如图1所示。模型属于比较规则模型，故采用Quad网格进行划分，将模型划分成四边形的结构性网格，划分后网格单元数量为396万左右。模型中边界条件均按照实际工程情况设立，左侧为渠道进水口，井水入口设置在渠水入口下游10 m处，井水与渠水混合后将全部由出口流出。

图1 引水渠道模型局部图Fig.1 The diagram of diversion channel model

1.2 边界条件

由于本文主要研究引水渠道沿程水温变化，而其混合过程中气温、地热、阳光辐射、地下水渗入等次要因素对其影响不大，所以仅考虑井水与渠水混合后温度的变化。本文模拟流动为定常流流动，采用标准湍流模型；渠道引水与井水混合过程中发生传热变化，故能量模型采用FLUENT中融化/凝固模型。

模型中均将渠水入口、井水入口设置为速度进口；由于本文模拟渠道纵坡比较小，其水面波动微小，因此模型以“刚盖”假定模拟渠道水面；渠道混合水出口设为无压自由流出边界；其它边界默认设置为WALL，即为绝热边壁。其中，渠道原始流量和各井井水流量均采用原型调研和原型观测得到的实际运行边界条件，如表1所示。

表1 实测边界条件Tab.1 Measured boundary conditions

2 结果及分析

2.1模型验证

根据实测结果（表2）可知：各井井水水温均在10℃左右，远大于水的冰点0℃，完全可以确保渠道的融冰效果；随着井水的加入渠水温度明显高于0℃，说明抽水融冰对渠水的增温效果很明显。

表2 模拟值与实测值对比Tab.2 Comparison between simulated and measured values

以表1参数为数值模拟的边界条件，模拟井水对渠水的增温效果，得到5#到13#井的渠道混合水温，结果见表2。从表2可以看出：

（1）实际观测中渠水与井水混合后的渠水温度与模拟得出的混合渠水温度两者变化趋势基本无异，其相对误差均在允许范围内。

（2）渠水温度只要保持在0℃以上便能防止渠道不结冰。根据数值模拟结果和原型实测数据均可以得出，整个引水渠平均一口井可以提高渠道水温约为1.65℃，这从理论上验证了采用抽水融冰方法对渠水的增温效果显著。

以10#井为例，模拟渠道混合后水温与实测渠道混合后水温曲线（图2）显示：

（1）二者变化趋势基本一致。模拟值较符合温度变化规律，与实测值相比较为平缓，符合实测数据规律。

（2）模拟值稍大于实测值。其主要是因为在原型观测时，由于中层和下层水温测量难度较大，同时融冰井水注入是从渠道表面注入渠道，所以原型中水温测温点主要为表层水，而模拟结果则是反映渠水和井水充分混合后水温，所以造成模拟值稍大于实测值。

图2 10#井模拟结果与原型观测对比图Fig.2 Comparison between simulation and prototype observation results for 10#well

目前国内外未见对引水渠道抽水融冰其它模拟方法的研究结果，现有研究成果均是对抽水融冰的实际工程进行的试验研究，如黄酒林等通过原型观测和模型试验对抽水融冰运行效果进行了分析[2]。上述研究的边界条件限制于当地的气候、水文条件等，本文通过模拟分析，可以结合实际情况对边界条件进行不同工况的设定，研究成果的应用范围更加广泛。同时，本文借助国际上通用的FLUENT软件，以红山嘴电厂引水渠道为对象建立计算模型，其边界条件均设置为实际工程中的运行条件，上述模拟结果与实测结果的对比也表明两者基本一致，这也证明了本文模拟方法能更好地模拟实际工程运行时抽水融冰的过程，更能保证后续不同研究工况下抽水融冰模拟结果的可靠。

2.2 抽水融冰过程模拟结果

图3 10#井数值模拟局部温度云图Fig.3 Temperature contours of numerical simulation for 10#well

以10#井为例，渠水入口水温为1.53℃，井水入口处水温为10℃，初始速度以流量换算，其他边界条件默认为WALL绝热边界。本模型为定常模型，求解步数尝试设置为1000步，当计算到430步时，计算达到收敛，监视器显示能量方程达到平衡。根据FLUENT中Report工具查询outlet出口处平均水温为274.30 K（1.15℃），经过长距离的热能损失，其渠水温度还保持在0℃以上，这说明井水的加入对渠道冰害防治有效。

温度云图能直观的显现出流场内部的温度分布及沿程变化，从图3可明显看出：在井水加入处附近温度变化较大，但一段距离之后，混合水温变化便趋于平缓。

2.3 不同工况下抽水融冰过程模拟分析

2.3.1 井水流量变化对抽水融冰的影响

渠道流量不变，井水流量变为原来0.1倍、0.5倍、1.5倍、2倍4种边界条件，实际中开启不同数量的融冰井便能改变井水流量，其它条件保持不变，对抽水融冰效果进行计算，得到渠道出口断面混合水温的结果见表3。

表3 不同井水流量变化下渠道的混合水温Tab.3 Mixed water temperature of channel under different discharges of well water

从表3可以看出：在只改变各井井水流量的工况下，井水流量与混合水温呈正相关的关系，且增大的数值与井水的流量呈正相关的关系，表明随着井水流量增大，融冰增温效果也越好。当井水流量增至原来的1.5倍和2倍时，出口混合水温平均升高的幅度分别为44%和74%；而当井水流量减小到原始基础的的0.1倍和0.5倍时，出口混合水温平均降低的幅度分别为36%和84%。在实际工程运行中，升高井水水温不易实现，而以增加井水注入量的方法提高渠水温度更有效。

2.3.2 渠道流量对抽水融冰的影响

实际工程中不同时间段内的引水渠流量都会发生变化，将渠道原始流量变为原来0.1倍、0.5倍、1.5倍、2倍4种情况，模拟渠道水温变化情况，得到出口混合水温的计算结果见表4。

表4 不同渠道原始流量变化下渠道的混合水温Tab.4 Mixed water temperature of channel under different origin discharges of channel water

从表4可以看出：其他相关条件不变时，混合水温和渠道原始流量存在负相关的关系，且渠道原始流量越大，输水渠的增温效果越差，相反渠道原始流量越小，对输水渠的增温效果便越好。渠道原始流量变为以前的1.5倍和2倍时，出口混合水温平均降低的幅度分别是41.3%和65.6%；而渠道原始流量变为以前的0.1倍和0.5倍时，出口混合水温平均升高的幅度分别是284%和86%；渠道原始流量变为原来2倍时导致混合水流温度减小的幅度，明显小于渠道原始流量减到0.5倍导致水温增大的幅度。这表明：渠道原始流量变大时渠道混合水温下降，但渠道原始流量变化对渠水水温的影响不明显，下降幅度不大，此时同样可以采取增大井水流量的方法来升高渠水水温。

2.3.3 井水水温对抽水融冰的影响

在不同的水电站及不同的地理环境下，井水水温也不尽相同。在仅改变井水水温的工况下，将井水水温在原来温度上降低2.5、5℃和升高2.5、5℃，分别对这4种条件下的融冰情况进行模拟，出口混合水温的模拟结果见表5。

表5 不同井水水温变化下渠道的混合水温Tab.5 Mixed water temperature of channel under different temperature of well water

从表5可知，井水水温对渠道增温效果影响较大。当井水温度上升5℃和2.5℃后，混合后水温增加的平均幅度分别为94%和44%；井水温度下降5℃和2.5℃后，混合后水温减小的平均幅度分别为88%和43.75%；将井水水温在原始水温的基础上增加5℃得到的渠道混合水温增长的幅度和井水水温在原始基础上降低5℃渠道混合水温下降的幅度几近相等。虽然对于不同位置的井在不同的季节，其井水水温也不是一样的，但对于同一个融冰井，井水水温与渠道增温效果呈正相关的关系，由井水温度增加可以推测出对渠道增温幅度的范围，这对实际生产有很强的指导意义。

2.3.4 渠道水温对抽水融冰的影响

在不同的气温条件下，渠道原始水温也不相同，在严寒气候条件下，渠道引水水温可能会低至0℃，甚至开始有冰花出现，若不采取措施，将可能开始便发生冰情。在渠道原始流量和井水流量不变，改变渠道原始水温：渠道原始水温分别下降和上升0.2℃和0.4℃，模拟渠道水温变化，结果见表6。

表6 不同渠道原始水温变化下渠道的混合水温Tab.6 Mixed water temperature of channel under different origin water temperature of channel

从表6可以看出：

（1）渠道原始水温对结果影响较大，且渠道原始水温降低会使混合后水温明显降低，渠道原始水温的上升同样会使混合后渠水温度明显上升，说明渠道原始水温和混合水温存在正相关的关系。

（2）渠道水温下降0.2℃的混合水温变化幅度与上升0.2℃时的变化幅度基本相同。在抽水融冰整个过程中，与渠道原始流量相比，井水的加入量很小，因此渠道原始水温的改变对输水渠混合水温的结果影响很大。在实际工程中，渠道原始水温经常受到气温，雨雪天气影响，特别在严寒气温条件下，渠道原始水温随着气温降低，渠内冰花逐渐形成，这时便可采取加大井水流量的方法来防治渠道冰害。

3 讨论

（1）利用FLUENT流体计算软件对红山嘴电厂引水渠道抽水融冰过程进行了模拟，对不同工况下的融冰效果进行了分析，研究结果可为寒区电站冬季运行的冰害问题提供方法参考和技术支持。现有抽水融冰研究成果中，如刘新鹏[1]等研究主要对红山嘴电站融冰井实际运行情况进行了研究，得到了-20℃下，各井运行时渠水面实测温度为0.4-1.0℃，进一步证实了抽水融冰的效果；黄酒林[2]等对红山嘴电站各井运行时的渠水面温度进行了连续观测，得到了水温的连续变化过程等。

（2）刘新鹏[1]、黄酒林等[2]关于抽水融冰研究都是结合金沟河电站和红山嘴电站等实际工程进行的现场试验，研究的边界条件受当地的气候、水文条件等限制，本文采用的模拟研究可以结合实际情况，对边界条件进行不同工况的设定，研究成果的应用范围更加广泛，不仅可以为正在运行的抽水融冰的管理提供技术支持，也可为新建电站引水渠道抽水融冰方法的设计等提供理论依据。

（3）实际工程中引水渠道沿程的水温变化受水力、热力、气候等很多因素影响，本文模拟时考虑了井水与渠道水混合温度变化、大气温度等主要因素，这与以往黄酒林等[4]研究仅考虑水力条件的影响相比，本文研究考虑的因素更加全面，研究结果更具有可靠性。但本文模拟时忽略了混合过程中太阳辐射、蒸发热量损耗、降雪在渠水中融化引起的热量损耗、地下水渗入等次要因素影响，更为全面的模拟计算需要今后进一步的研究。

4 结论

本文以玛纳斯河流域红山嘴电站引水渠道为例建立模型，对实际运行边界条件和不同工况下引水渠道抽水融冰过程进行了模拟分析，得到了井水与渠水混合后水温沿程变化的规律：

（1）模拟结果与实测结果水温的变化趋势基本一致，可以保证后续研究的可靠性。

（2）在仅改变井水流量的前提下，混合水温和井水流量存在正相关的关系，即井水流量越大，渠水增温的效果也越明显；而在井水流量等不发生变化时，混合水温和渠道原始流量存在负相关的关系，即随着渠道原始流量的加大，融冰增温的效果越弱。

（3）渠道原始水温条件不变时，混合水温和井水水温存在正相关的关系，且井水水温升高，增温的效果更明显；井水水温条件不变时，混合水温和渠道原始水温也存在正相关的关系，渠道原始水温越高混合后渠水水温也越高。

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Simulation analysis on the process of pumping well water to melt ice for diversion channel in cold area

Xiong Hui1,Wu Sujie1,Hu Xuan2,Li Wangzhi1,Huang Yibo1
(1 College of Water Conservancy and Architectural Eengineering,Shihezi University,Shihezi,Xingjiang 832000,China;2 Land Reserve Remediation Center of Fengdu County,Chongqing 408200,China)

The ice problem of diversion channel in cold area can be solved by the technology of pumping well water to melt ice.The purpose of this study is to analysis the variation law of water temperature during the process of pumping well water to melt ice under different boundary conditions,which can provide technical basis for design and management of practical engineering.Based on the actual situation of the diversion channel of Hongshanzui power station in Manas River,a diversion channel turbulence mathematical model was proposed using FLUENT,and the calculation results were compared with the measured data.Thus,the change process of water temperature for diversion channel was calculated under different research conditions.The results indicated that there were positive correlation relationships between the mixed water temperature and the discharge of well water,the temperatures of well water and channel water.However,the relationship between the mixed water temperature and the discharge of channel was negative correlation.Therefore,it is easy to solve the channel ice damage problem by increasing the discharge of well water in the actual project.

diversion channel;pumping well water to melt ice;water temperature;numerical simulation；channel ice problem

TK79

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.02.022

1007-7383(2017)02-0259-06

2016-03-25

国家自然科学基金项目（51269028）

熊慧(1979－)，女，硕士研究生，从事水文学和水资源的研究，e-mail：18890041@qq.com。