抽水蓄能电站侧式进/出水口隔墩布置对水力特性的影响

徐 准，吴时强

(南京水利科学研究院水工水力学研究所，江苏 南京 210029)

进/出水口是抽水蓄能电站中连接输水管道和水库的重要建筑物。设计合理的进/出水口能在抽水和发电工况中适应不同的过流流量和流向，能表现出良好的水力特性，降低水头损失。因此优化进/出水口隔墩体型布置，以同时满足两种不同工况要求具有重要意义。

抽水蓄能电站进/出水口水力特性指标主要包括拦污栅断面平均流速、各流道流速的不均匀系数和各流道的流量分配率[1]。按照DL/T 5398—2007《水电站进水口设计规范》要求，拦污栅断面的平均流速应控制在0.6～1.0 m/s；各流道水流流速不均匀系数在进流时应小于1.5，在出流时应小于2.0；各流道的流量分配率在三流道进/出水口中应保持在30%～36%，在四流道进/出水口中应保持在22%～28%。进/出水口体型的设计不当会导致局部高流速、回流、旋涡等不良流态，增大进/出水口的水头损失，甚至造成进/出水口结构破坏，从而影响抽水蓄能电站的经济效益和运行安全。

抽水蓄能电站进/出水口的水力学特性较为复杂，易受到扩散角、扩散段长度、隔墩位置、隔墩墩头形状等多种因素的影响[2-4]。物理模型试验是常用的研究方法，通过试验可以检验不同工况下电站进/出水口的流速均匀性、流量比、水头损失等水力学指标是否符合设计规范[5-7]，同时对存在的设计缺陷进行改进和优化[8-9]。但是物理模型试验在研究范围、测量数据全面性和准确性、试验方案多样性等方面存在局限性。

数值模拟是抽水蓄能电站进/出水口体型优化的有效工具。通过对研究对象的参数化建模，可以探讨进/出水口各项体型参数对过栅流速分布、各流道分流比、局部不良流态等水力学特性的影响[10-13]，分析进/出水口和库区的全域流态，调整和优化进/出水口的体型和拦污栅的布置[14-18]。近年来，响应面法(RSM)、非支配排序遗传选择算法(NSGA-II)等先进算法应用于进/出水口的多目标函数优化，显著提高了研究效率[19-20]。

本文利用k-ε湍流模型和VOF多相流模型[21-22]，以某抽水蓄能电站上库进/出水口为研究对象，建立四流道三隔墩的进/出水口水流数学模型，分析进/出水口各隔墩布置对进/出水口过栅流速分布、各流道流量分配、水头损失、墩头附近流速分布等水力学特性的影响。

1 进/出水口三维水流数值模型

1.1 控制方程及求解方法

水流数值模拟基于标准k-ε模型，采用VOF模型进行液气两相流计算，通过有限体积法对控制方程进行离散，利用PISO算法对压力和速度进行耦合计算，具体的控制方程和求解方法可参见文献[23]。

初始条件设置如下：采用静止流场条件，库区水位设为死水位(640 m)，自由液面以下的计算区域水的体积分数赋值为1，其余参数均按静止流场处理，赋值为0。

边界条件设置如下：输水管道端部的边界采用流量边界条件，通过调整流量边界的方向和流量值来模拟不同的抽水/发电工况。其中抽水工况下流量为109.0 m3/s，方向为垂直边界向内；发电工况下流量为156.2 m3/s，方向为垂直边界向外。上库远离进/出水口的区域进流断面采用均匀流条件，上库顶部边界设置为压力出口边界条件，其余边界设为固壁边界。

1.2 模型范围与网格划分

某抽水蓄能电站装有6台机组，采用两机一洞方式，共有3组进/出水口，进/出水口由拦污栅、扩散段、平方段、检修闸门等组成，为典型的三隔墩四流道结构。数值模拟范围包括3组进/出水口、输水管道及部分上库库区(图1)。计算区域均使用非均匀六面体结构化网格划分，其中进/出水口、输水管道及邻近进/出水口的上库库区网格适当加密，其他部分则随着与研究区域距离的增加而逐渐降低网格密度，网格尺寸由0.15 m至3 m不等，单元数约400万(图2)。

图1 数学模型计算域示意图

图2 进/出水口计算网格示意图

选取位于中间的一组进/出水口为研究对象，4个流道分别标记为1号、2号、3号、4号，3个隔墩分别标记为①、②、③。定义中隔墩(②号隔墩)无量纲相对后移量为L/b，边隔墩(①、③号隔墩)无量纲相对后移量为L′/b，其中L为中隔墩的后移距离，L′为边隔墩后移距离，b为进/出水口扩散段起始断面宽度，b=5.4 m(图3)。为了研究中隔墩布置对进/出水口水力特性的影响，设定中隔墩(②号隔墩)分别后移0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、4 m、5 m、6 m(即相对后移量L/b=0、0.093、0.185、0.278、0.370、0.463、0.556、0.741、0.926、1.111)10种布置方案，分析死水位条件下发电与抽水工况时中隔墩后移对进/出水口流场分布、流速分布均匀性、流道分流比等水力特性的影响。

图3 进/出水口水平视图

为了便于分析，隔墩墩头附近1～4号流道中轴线分别设置纵向断面A1～A4(图3)，在距离进/出水口流道底板5 m处设置水平断面B(图4)。

图4 进/出水口纵向断面(单位：cm)

2 模拟结果与分析

2.1 隔墩位置对流道过流流速的影响

图5 中隔墩后移3 m时发电工况下4个流道拦污栅断面流速分布(单位：m/s)

图6 中隔墩后移3 m时抽水工况下4个流道拦污栅断面流速分布(单位：m/s)

图5和图6分别为中隔墩后移3 m时，在发电工况及抽水工况下扩散段末端4个流道拦污栅断面的流速分布，可见，中间两流道拦污栅断面的流速分布镜像对称，两侧两流道拦污栅断面的流速分布也镜像对称，中间流道拦污栅断面的流速分布与两侧流道存在一定差异。在不同的中隔墩后移布置中，各拦污栅断面的流速分布规律基本一致，因此仅以中隔墩后移3 m为例加以分析，此时L/b=0.556。

发电工况下，各拦污栅断面流速分布较为均匀。最大流速均发生在流道中下部，呈椭圆形分布。受边壁影响，流速分布呈中心大、边缘小的特点。1号、4号流道流速略大于2号、3号流道，说明1号、4号流道的过流流量要大于2号、3号流道。

抽水工况下，各拦污栅断面流态相对紊乱，流速分布差于发电工况。中间流道拦污栅断面的流速分布较差，较高流速区域集中在各断面的内侧下方角落，呈三角形分布，同时各断面的外侧上方部分均出现了流速小于0.3 m/s的较大面积低流速，但无回流存在。相对而言，两侧流道流速分布好于中间流道。

可见，发电工况下各流道流态较好，而抽水工况下各流道流态普遍差于发电工况，尤其是中隔墩两侧的2号、3号流道。

为评价断面流速分布的均匀性，定义拦污栅断面流速分布不均匀系数η1如下：

(1)

发电工况及抽水工况下各流道拦污栅断面η1随L/b的变化如图7所示。

图7 拦污栅断面流速分布不均匀系数与中隔墩相对后移量关系

由图7可见，发电工况下，两侧流道拦污栅断面的η1维持在1.140左右，中间流道拦污栅断面的η1维持在1.110左右，各流道的流速分布均较均匀，其中中间流道的流速均匀性略优于两侧流道。调整中隔墩的布置，η1无明显变化，即中隔墩位置不会影响各流道拦污栅断面的流速均匀性。

抽水工况流速分布规律有别于发电工况。对于中间两流道，后移中隔墩，η1值逐渐减小，拦污栅断面流速分布的均匀性得到改善。当L/b<0.2时，中间两流道η1值的下降对中隔墩的后移具有较强的敏感性，后移中隔墩是提升中间两流道流速分布均匀性的有效手段；当L/b≥0.2时，后移中隔墩仍能改善中间两流道的流速分布均匀性，但是效果不明显。两侧两流道拦污栅断面流速分布不受中隔墩位置影响，其η1值保持在1.320～1.325。

流速均匀性可影响进/出水口的水头损失。为评价进/出水口水头损失，定义水头损失系数如下：

(2)

(3)

式中：ξ发电、ξ抽水分别为发电和抽水工况下进/出水口水头损失系数；h1、v1、p1分别为输水管道与进/出水口连接断面的水位、平均流速、压强；h0、v0、p0分别为进/出水口外缘断面的水位、平均流速、压强；α0、α1为动能修正系数，α0=1.0，α1=1.0；ρ为水的密度；g为重力加速度。

发电工况及抽水工况下进/出水口水头损失系数随中隔墩相对后移量的变化如图8所示。由图8可见，发电工况下，当L/b>0.185时，ξ发电维持在0.311左右,调整中隔墩的布置，ξ发电无明显变化，即中隔墩位置对进/出水口的水头损失影响微弱。抽水工况下，当L/b<0.3时，中隔墩位置对进/出水口的水头损失影响较大，后移中隔墩可降低进/出口的水头损失；当L/b≥0.3时，进/出水口水头损失系数基本稳定在0.463。

可见，发电工况下各流道的流速分布均匀，调整中隔墩位置对各流道拦污栅断面流速分布和进/出水口水头损失几乎无影响；中隔墩位置的调整可改善抽水工况下中间两流道的流速分布均匀性，减少进/出水口水头损失，但是后移的距离超过进/出水口扩散段起始断面宽度的0.3倍时中隔墩后移作用不明显。

图8 进/出水口水头损失系数与中隔墩相对后移量的关系

图9 水平断面B流速分布(单位：m/s)

2.2 隔墩位置对进/出水口局部流速的影响

流道隔墩局部水流流态事关局部水头损失大小。在抽水蓄能电站进/出水口中各隔墩墩头附近区域，由于流道宽度的快速收窄，流道形态发生变化，墩头附近出现局部流速剧烈调整区。因此，在抽水蓄能电站进/出水口的设计中，应对隔墩布置进行优化以减缓局部的流速调整，减少局部水头损失。图9为抽水工况下中隔墩的后移量L= 0.5 m、2.5 m时水平断面B的流速分布。图10为抽水工况下中隔墩的后移量L=0.5 m、2.5 m时纵向断面A1、A2的流速分布。由于1号和4号流道的流态呈对称分布、2号和3号流道的流态呈对称分布，本文仅给出纵向断面A1、A2的流速分布。

图10 纵向断面A1、A2流速分布(单位：m/s)

根据各隔墩的相对位置，可将其附近出现的流速剧烈调整区划分为3个区域，其中Ⅰ区位于②号墩墩头附近2号、3号流道中，Ⅱ区位于①号墩和③号墩墩头之间的②号墩前部区域，Ⅲ区位于①号墩墩头和侧壁及③号墩墩头和侧壁之间。当L<1.5 m(L/b<0.28)时，由于3个隔墩的墩头距离较近，墩头附近仅存在Ⅰ和Ⅲ区；当L≥1.5 m (L/b≥0.28)时，②号墩墩头与相邻的①号墩、③号墩墩头间相对较大的距离可使Ⅱ区从Ⅰ区中分离出来独立存在。仅调整中隔墩的位置可改变中隔墩墩头附近流速分布及Ⅰ、Ⅱ区的局部流速大小，但是对Ⅲ区流速无影响。

为评价各流速调整区流速调整的剧烈程度，定义进/出水口流速调整系数如下：

(4)

图11为Ⅰ、Ⅱ区η2与L/b的关系，可以看出，抽水或发电工况下，中隔墩后移量的增加可使Ⅰ区流速最大值出现近似线性下降，即增大中隔墩后移距离可有效减小墩头两侧局部流速，但是对Ⅱ区流速最大值影响微小。当Ⅰ、Ⅱ区流速大小相近时，中隔墩墩头附近流速分布较均匀，流态较好。抽水工况下L/b=0.52时或发电工况下L/b=0.44时，中隔墩墩头周边的流态达到最优。因此，在进/出水口布置隔墩时，中隔墩的后移距离可取进/出水口扩散段起始断面宽度的0.44～0.52倍，即可达到中隔墩墩头附近局部流态最佳。

图11 Ⅰ、Ⅱ区进/出口流速调整系数与中隔墩相对后移量的关系

调整中隔墩位置完成对Ⅰ区、Ⅱ区局部流速的优化后，进一步调整边隔墩的位置对Ⅲ区流速进行优化。在中隔墩后移4 m(即L/b=0.741)的基础上，假定边隔墩的后移值由0 m逐级增至1 m(即L′/b=0～0.185)。边隔墩的后移可对Ⅱ、Ⅲ区局部流速产生影响。Ⅱ、Ⅲ区流速调整系数η2与边隔墩墩头相对后移量L′/b的关系如图12所示。

图12 Ⅱ、Ⅲ区流速调整系数与边隔墩相对后移量的关系

由图12可见，抽水工况下，边隔墩的后移可使Ⅲ区流速最大值出现小幅下降，Ⅱ区流速最大值出现小幅上升。当Ⅱ、Ⅲ区流速相近时，边隔墩墩头附近的流速分布较均匀。抽水工况下，当L′/b=0.08时，边隔墩墩头周边的流态最优；当L′/b>0.08时，Ⅱ、Ⅲ区流速最大值无明显变化。发电工况下，边隔隔墩的后移可使Ⅲ区流速最大值出现下降，但是对Ⅱ区流速最大值基本无影响，当L′/b=0.12时，Ⅱ、Ⅲ区流速相近，此时边隔墩墩头周边的流态最优。综上，边隔墩的后移距离可取进/出水口扩散段起始断面宽度的0.1倍，即可达到边隔墩墩头附近局部流态最佳。

2.3 隔墩位置对流道分流系数的影响

分流系数可用于表征水流在各孔流道之间分配均匀程度，是抽水蓄能电站进/出水口设计的重要指标之一，在进/出水口的设计中应使各流道的分流系数接近1以达到各流道过流流量的均衡。分流系数的定义如下：

(5)

图13为抽水和发电工况下各流道的分流系数Si与中隔墩相对后移量L/b的关系。

图13 各流道分流系数与中隔墩相对后移量的关系

抽水工况进/出水口各流道流量分配的均匀性要优于发电工况。抽水工况下，当L/b从0逐渐增至0.3时，中隔墩的后移可使1号、4号流道的分流系数由1.135降至1.095，2号、3号流道的分流系数由0.865升至约0.905，流量分配逐渐均匀；当L/b>0.3时，各流道的分流系数基本不变，各流道的流量分配保持稳定，中隔墩的进一步后移，不再影响流量分配。发电工况下，中隔墩的后移未对各流道的流量分配产生影响，1号、4号流道的分流系数稳定在约1.185，2号、3号流道的分流系数稳定在约0.815。

按照中隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.5倍，边隔墩后移扩散段起始断面宽度的0.1倍布置隔墩位置，计算发现死水位(640 m)和正常水位(681 m)两种水位条件下，抽水和发电工况时两侧流道和中间流道拦污栅断面的流速分布不均匀系数η1、墩头附近Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ区流速调整系数η2、各流道的分流系数Si均没有明显变化，表明库水位对各系数影响甚微。

3 结 论

a. 中隔墩后移对发电工况下各流道流速分布、进/出水口的水头损失几乎无影响；中隔墩后移可有效改善抽水工况下中隔墩两侧流道的过流流速均匀性，降低进/出水口的水头损失，但是后移距离超过进/出水口扩散段起始断面宽度的0.3倍时，改善效果不明显。

b. 隔墩墩头附近易出现局部流速的剧烈调整，将中隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.44～0.52倍，边隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.1倍，可实现墩头附近局部流速的相对均匀化。

c. 中隔墩后移对发电工况下各流道的分流系数几乎无影响；中隔墩后移可改善抽水工况下各流道流量分配的均匀性，但中隔墩后移距离超过进/出水口扩散段起始断面宽度的0.3倍时，分流系数基本不变。

d. 将中隔墩后移扩散段起始断面宽度的0.5倍，边隔墩后移进/出水口扩散段起始断面宽度的0.1倍，可实现水力学特征的总体最优。