巴基斯坦塔贝拉水电站钢岔管肋板的水力特性研究

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都，610072；2.长江勘测规划设计研究院，武汉，430015)

1 引言

塔贝拉水电站位于南亚巴基斯坦首都伊斯兰堡西北方70km，该工程具有灌溉、发电、防洪等效益。主要水工建筑物包括主坝、副坝、主辅溢洪道、灌溉隧洞、发电引水隧洞以及厂房等，面板堆石坝最大坝高143m，一期工程于1968年开工建设，1976年正式蓄水发电。

塔贝拉四期扩建项目是将原有的4号灌溉隧洞下游出口改建成发电压力钢管和发电厂房。压力钢管布置在原灌溉隧洞的出口挑坎区域，该位置的挑坎等建筑物拆除后，从灌溉隧洞末端接新的压力钢管至新厂房发电。

压力钢管由一条主管、5个岔管及6条支管组成，其中3条钢管用于发电，2条钢管用于泄水冲砂，在靠近厂房侧的泄水冲砂钢管上再分岔出1条钢管(末端接机组备用减压阀)。泄水冲砂钢管出口设平板事故闸门及工作弧门，门后设消力坎和消力池。

岔管初步设计方案为梁式岔管，由于梁式岔管外露梁尺寸大，施工困难，而内加强肋岔管是在三梁岔管的基础上发展而来的一种岔管形式，它是一个完全嵌入管壳内的月牙形肋板U形梁(如图1所示)。这种设计对岔管结构加强效果较好，并且能减小肋板外伸的宽度[1]，近年来在国内外水电工程岔管设计中得到工程师的青睐。

然而，肋板内伸的存在不可避免的会引起水流的扰动，引起岔管内流态的变化并带来水头损失。目前，国内外众多学者对岔管水力特性进行了较为深入的研究[2-5]，然而这些文献大都没有涉及肋板或者单独对肋板带来的水力特性改变进行研究。本文以巴基斯坦塔贝拉水电站岔管肋板的设置为出发点，重点研究探讨肋板对岔管水力特性的影响。

图1 内加强肋板示意

2 计算模型与方法

2.1 参数定义

如图1所示，肋板的外轮廓是两个椎管相交形成的一条椭圆曲线，而内轮廓通常被选为一条抛物线，这样就形成了一个月牙形状的肋板。为了方便量化描述肋板的几何特性，本文定义了一个参数：肋板最大断面水平投影宽度WR和管壳体相贯线水平投影长度LH之比为肋宽比(XR)。

(1)

此外，对于水头损失的定量描述，通常用水头损失系数[6]来表达：

(2)

其中，下标i和j分别指相连的上下游两段支管，连接处会产生水头损失；下标M指主支管。

2.2 计算模型

塔贝拉水电站的F钢岔管采用卜形布置，主管内直径13.0m，两支管内直径分别为7.5m和10.615m，分岔角50°，单机额定流量为440m3/s，采用广泛应用的月牙肋钢岔管(如图2所示)。为了研究肋板几何形状对岔管流态和水头损失的影响，一共设置了6种不同肋宽比的模型，其中XR=0表示没有设置肋板。

根据电站实际运行情况，一共可分为3种运行工况：双机发电、A机发电、B机发电。A机发电或B机发电又可称为单机发电。3种工况下进出口边界条件如图2所示，进口为速度边界，出口为压力边界，壁面为无滑移固定边界。采用Realizable k-ε模型进行计算(该模型计算量适中、精度高且适用性好，在模拟强逆压力梯度、射流扩散率、分离、回流、旋转上有较高精度)。基于CFD通过FLUENT@软件进行计算，速度和压力方程用SIMPLEC算法耦合。为了尽量减小约束端及水流稳定对岔管的影响，主、支管段轴线长度从最大公切球球心向上、下游，结构计算大于最大公切球直径的3倍，水力学计算大于10倍。为了保证模拟的准确性，计算之前进行了网格无关性分析，最终模型的网格数量大概在310万到370万之间。

3 结果分析

图2 计算模型、边界条件和工况

3.1 水头损失

岔管水头损失的大小会直接影响到电站的长期经济效益，因此肋板的设置带来的水头损失必须严格控制。针对不同的肋宽比，进行了3种工况下的岔管水流流动数值模拟计算。水头损失系数的计算结果如图3所示。

图3 不同肋宽比下的水头损失系数：(a)双机发电，(b)单机发电

从图3(b)曲线3、4中可以看出，当XR从0.0增加到0.5时，水头损失是逐渐增加的。这样的规律与传统的观点是一致的，即肋板会导致水头损失的增加，肋板越宽，水头损失可能会越大。然而其他几条曲线却呈现了不同的规律。比如曲线1中的B1点，曲线2中的B2点，曲线5中的B5点，曲线6中的B6点，这些情况下的水头损失系数比同等工况下的无肋板模型的水头损失系数都要小。这说明在某些情况下，肋板起着引导水流或优化流态的作用，从而可以减小一定的水头损失。

将图3中的曲线用多项式进行拟合，形成的水头损失系数与肋宽比之间的关系式如表1所示。

表1水头损失系数与肋宽比之间的关系式

3.2 双机发电工况下不同肋宽比(0.0～0.5)下的流态变化

为了更进一步了解肋板对岔管水力特性的影响，本节以双机发电工况为例，重点分析不同肋宽比下岔管的流态和压力分布。

3.2.1 流态图

图4是肋宽比为0.0到0.5时岔管的流态和流速分布图。从图中可以看出，A管和C管的流速分布良好，但B管的流速分布不均匀，部分区域流线弯曲严重，存在回流现象。当XR从0.0增加到0.5时，流态整体上还是基本保持一致，最大流动速度有所减小。当XR大于0.3时，A管和B管的交界处部分区域的水流受到了肋板的扰动，流线发生了轻微的弯曲。整体上看，双机发电工况下肋板对流态的影响并不是很明显。

3.2.2 中心截面压力分布图

图5是中心截面(XOY平面)的相对压力分布图(相对压力的基准值统一取为0Pa)。从图中可以看出，最大压力发生在B管的右侧，最小压力发生在B管的左侧。与无肋板岔管相比，有肋板的岔管中最大压力值减小了8%左右。当XR从0.0增加到0.5时，发生在B管与C管交界处的低压区面积逐渐减小，最终最小压力值减小了10%左右。当XR从0.0增加到0.2时，A管的流态有所改善，但XR大于0.3时，一个新的低压区出现在肋板附近(如图5(d)-(f))。总体上看，肋板的存在一定程度上减小了低压区的面积，同时也没有给岔管的流态带来明显的恶化。

图4 双机发电工况下的流态和流速分布(m·s-1)：(a)-(f)XR=0.0to0.5

图5 双机发电工况下中心截面的相对压力分布(Pa)：(a)-(f)XR=0.0to0.5

3.3 不同工况下有无肋板的流态比较

为了进一步分析有无肋板对岔管流态的影响，选取XR=0.0和XR=0.3两种岔管模型，分析不同工况下的流动特性。双机发电工况下的流态和流速分布已经在3.2节中讨论过了，下面分析另外5种工况下岔管的流动特征。

3.3.1 A机发电

图6是A机发电工况下岔管的流态分布图。从图中可以看出，无肋板岔管的流态较好，流线较为平顺和稳定，流速分布均匀。但当有肋板时，岔管肋板附近的水流受到了明显扰动，开始产生回流现象，流线也发生了弯曲和旋转，且岔管内的最大速度有所提高。

图6 A机发电工况下的流态和流速分布(m·s-1)：

3.3.2 B机发电

B机发电工况下岔管的流态和流速分布见图7。从图中可以看出，B机发电工况下的流态要比A机发电工况下的流态稍差。有无肋板情况下岔管连接处均发生了一定的回流现象。当有肋板时，岔管的水流受到了扰动，部分流线开始旋转，水流在经过肋板的时候产生了旋流。双机发电工况下岔管的流态要明显好于单机发电工况。

图7 B机发电工况下的流态和流速分布(m·s-1)：

4 结论

在采用引水式开发的工程项目中，引水系统末端往往需要布置承担高内压的岔管，肋板这种内加强梁的形式得到广泛的应用。这种结构能明显提高强度，但是在美标ASCE NO.79规范中认为肋板会带来水头损失，但相关研究非常少。本文定义了肋宽比XR，基于此指标提出了肋板的几何描述形式。同时，针对塔贝拉水电站中大型岔管每种工况下不同肋宽比进行了数值模拟，并拟合了各种工况下水头损失系数和肋宽比的关系曲线。

计算结果表明，与通常的猜测不同，不是所有工况下，肋板的存在都会恶化流态，也不是越大的肋板就会产生越大的水头损失。虽然单机发电等工况，大肋宽比确实阻碍了水流，带来了水头损失，但随着肋板的大小不同和工况的不同，肋板有可能会降低水头损失。事实上，合适的肋宽比使用在发电工况的流态时，能减小支管的回流区，降低流线的弯曲程度，从而降低水头损失。因此，从水力学角度看，肋板这种内加强形式是具有工程可行性的，只要选取合适的肋宽比，许多工况下兼具结构和水力学两方面的优势。