抽水蓄能电站上下库进出水口数值模拟分析研究

摘要：

进/出水口是水电站引水建筑物的重要组成部分，其水力特性对于降低发电水头损失至关重要。为了降低进/出水口进流和出流时，因为吸气漩涡、逆向流等各种不利因素造成的水头损失对发电效益的影响，利用三维数学模型进行数值分析，以进/出水口流态、各流道分流比、拦污栅断面流速分布均匀性及水头损失等作为主要评价指标，对安徽省石台抽水蓄能电站上、下库进/出水口布置与体型进行了验证及优化，提出了推荐方案。结果表明：优化方案能有效改善进出水口的流态、流速不均匀系数和降低其水头损失，① 推荐方案进/出水口进出流时各流道分流比为20.58%～30.45%，出流时为20.8%～27.91%，相邻边、中孔流道的流量不均匀程度均未超过10%，较为顺畅，未见吸气漩涡、强回流等不利流态，水流流态较好；② 各孔流道内水流流速、流道间流量分配均匀性较好，进/出水口进流时拦污栅断面流速不均匀系数小于1.5，出流时小于2.0，满足相关规程要求；③ 进/出水口进流时水头损失系数0.28～0.30，出流时水头损失系数0.44～0.46，均符合规范要求。研究结果可供类似工程设计人员参考。

关键词：

数学模型； 流态； 分流比； 流速分布均匀性； 水头损失； 石台抽水蓄能电站

中图法分类号：TV743

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.015

文章编号：1006-0081（2025）01-0084-08

0 引 言

抽水蓄能电站的进/出水口设计对其运行效率至关重要。抽水蓄能电站进/出水口具有双向过流、水位变化频繁且变幅大、低水位淹没深度较小等特点，相比常规水电站对水流流态要求更高［1］。正在运行的抽水蓄能电站中使用侧式进/出水口的比例较大［2］，布置方式大部分采用二墩三孔或者三墩四孔。当水流以两个流向通过进/出水口时，为了保证抽水蓄能电站的总效率，二者的水力损失都要保持在较低水平［3］。

相较于常规的水电站，抽水蓄能电站的进/出水口结构体型对电站运行的影响要更为明显［4］。进出水口体型对水头损失影响较大，与电站的运行效率和长期效益有着重要的关系［5］，其扩散段分流墩的布置应使各孔流道的过流量基本均匀［6］，以利于流态稳定，从而控制水头损失。因此有必要对电站进/出口体型设计方案进行验证与优化，提出较优进/出水口体型。国内外抽水蓄能电站进/出水口水力性能的研究，主要集中于水工模型试验［5］，运用数值模拟的方法研究并不常见。随着计算流体动力学理论的不断完善和计算机算力的不断提升，三维数值模拟结果更加精确，且具有操作方便、成本较低、计算快等特点，已经得到了广泛运用［6-8］。尽管已有研究关注水流的稳定性，但实际运行中，流态的动态变化及其对水头损失的具体影响尚未得到系统研究。已有文献探讨了进/出水口的流量分布对水头损失的影响，但对不同布置方式下流量分布的具体机制和最优配置仍缺乏明确的科学解释。

本文通过三维数值模拟方法，系统分析抽水蓄能电站进/出水口的水力性能，提出优化的设计方案。通过建立水流流态、流量分布和水头损失等关键指标模型，解决当前设计中存在的不足，可为提升抽水蓄能电站的整体效率提供参考。

1 工程概况

安徽省石台抽水蓄能电站地处皖南，属Ⅰ等大（1）型工程，工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等建（构）筑物组成，开发任务为电网调峰、填谷、调频、调相等。电站装机容量1 200 MW，上、下水库高差约480 m。上、下游输水管道采用二机一洞的布置型式，上、下水库电站进/出水口的水平距离约1 953 m，平均毛水头差为474.5 m，距高比约4.1。

上水库左右对称布置2个岸塔式进/出水口，每个进/出水口均由引水前池、防涡梁段、扩散段、下方闸门井段、渐变段、长有压管道段等组成；上水库死水位720 m，正常蓄水位755 m。下水库采用侧向岸塔式布置左右对称2个岸塔式进/出水口，除引水前池与有压管道，进/出水口其他布置与体型与上库一致，底板高程为223 m，下水库死水位为238 m，正常蓄水位为268 m。

2 数值模拟

2.1 数学模型

利用水气两相k-ε紊流三维数学模型对进/出水口水流流场进行模拟［9-10］。

连续方程：

（ρui）xi=0（1）

动量方程：

ρuit+xjρuiuj=fi-pxi+xjμ+μtuixj+ujxi（2）

k方程：

ρκt+ρujκxi=xiμ+μtσκκxi+Cκ-ρε（3）

ε方程：

ρεt+ρujεxi=xiμ+μtσεεxi+C1εεκCk-C2ερε2κ（4）

式中：t为时间；ui，uj，xi，xj分别是速度分量和坐标分量，i，j分别为水平和竖直方向分量；μ，μt分别是动力黏性和紊流黏性系数；κ为紊流脉动动能，κ越大表明紊流脉动长度和时间长度越大；ε为紊流脉动动量的耗散率，ε越大则紊流脉动长度和时间尺度越小；μt=Cuρκ2/ε；p为压力；fi为质量力；Cκ为平均速度梯度产生的紊动能项，Cκ=μtuixj+ujxiuixj；经验常数Cu=0.09，σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

王 科 等 抽水蓄能电站上下库进出水口数值模拟分析研究

两个压力管道截面上分别设置两个速度进/出口边界，根据具体工况下隧洞流量对应的流速确定大小；将库区模拟范围的边界面设置为一个压力进/出口边界，大小按照静水压力计算；自由液面使用刚盖假定，壁面设置为无滑移条件。

2.2 模拟范围

数值模拟范围包括部分上库库区和下库库区，引水前池、拦沙坎、进/出水口及长度25倍管径的压力管道，如图1所示。

网格划分采用计算精度与效率均较高的六面体结构，沿水流方向设网格尺度0.1～1.0 m，水深方向0.1～0.3 m。库区网格尺度略大，进/出水口尺度较小，上库进/出水口网格约780万个，下库进/出水口约550万个。

2.3 计算工况

上下库进/出水口根据水流方向分为出流（发电）和进流（抽水），水位分正常蓄水位和死水位，共分为8种不同工况，各工况的计算条件如表1所示。

2.4 监测点与监测断面布置

为分析进/出水口水力特性，设置若干水力参数的监测点与监测断面，如图2所示。参照进流方向，左、右进/出水口各孔流道定义为L1～L4、R1～R4。

流速测点布置：在拦污栅槽内布置8个测速断面，依次为LS1～LS4、RS1～RS4，监测拦污栅断面的平均流速与最大流速，计算流速的不均匀系数。每个断面布置3条垂向测线，位于流道轴线及两侧，在每条测线上布置5个测点，测点到流道底板的距离依次为1.00，2.75，4.50，6.25，8.00 m。

流量监测断面布置：在扩散段收缩断面布置8个流量监测断面，依次为LQ1～LQ4、RQ1～RQ4，监测各流道的分流量和流量分配。

水头损失监测断面布置：在渐变段下游1.5倍管径处设置断面LP-1、RP-1，监测断面平均压力，计算水头损失。

3 原方案结果分析

3.1 原方案布置

上库左右进/出水口均为3隔墩4流道布置，墩厚1.5 m，圆弧形墩尾厚0.5 m。防涡梁段底板高程为704.0 m，长度11 m，每孔流道宽5.0 m，高9.0 m，设4道防涡梁，断面尺寸1 m×1.5 m（宽×高），间隔1 m；扩散段底板高程为704 m，长度40 m，断面尺寸由22.5 m×10.0 m（宽×高）渐变至5 m×7 m（宽×高）；下方门井段底高程704 m，长度27 m，断面尺寸5 m×7 m（宽×高）；渐变段长度12 m，断面由5 m×7 m矩形渐变至直径为6.5 m的圆形，原方案布置见图3～4。

3.2 结果分析

计算得出死水位发电和抽水工况上库进/出水口水头损失，见表2，死水位发电与抽水工况各孔流道过流量见表3，拦污栅断面流速分布见表4。

发电工况下，左右进/出水口4孔过流量较为对称，同一进/出水口过流量与分流比呈边孔流道略大、中孔流道稍小分布；抽水工况下流量与分流比基本呈边孔流道小、中孔流道大分布。两种工况的相邻边、中孔流道的流量不均匀程度均未超过10%，分流比满足规范NB/T 10072-2018《抽水蓄能电站设计规范》要求（以下简称“规范”）。

两种工况的拦污栅断面流速分布均较为对称，发电工况同一进/出水口，各孔流道拦污栅断面流速呈顶小，中、底大分布；抽水工况呈顶小、底大分布。发电工况拦污栅断面流速分布不均匀系数满足规范中进流时宜小于1.5、出流时宜小于2.0，但在抽水工况流速分布不均匀系数为2.69～3.00，不满足小于2.0的要求。

4 优化方案结果分析

4.1 上库优化方案布置

将前池水平段长度由15 m延至40 m，调整后的

引水前池水平段底高程702.5 m，上接1∶4斜坡至高程707.5 m的平台，再接1∶4的斜坡至高程718 m的库底。保持进/出水口段总长度66 m不变，将下方闸门井段长度减小6 m而增设6 m调整段，将有压管段底坡调整为8%。优化方案进/出水口布置与体型如图5所示。

4.2 上库研究成果

各工况水头损失见表5。进/出水口水头损失定义为库水位断面至渐变段下（上）游1.5倍管径断面之间的水头损失。与原方案（表2）对比，可以发现在死水位发电和抽水工况下，优化方案的水头损失均有所下降，下降幅度约为20%。

死水水位和正常蓄水位发电与抽水工况各孔流道过流量见表6～7。4种工况均表现为左右进/出水口4孔过流量左右较为对称，同一进/出水口过流量与分流比呈边孔流道大、中孔流道小的分布特征；各流道流量分配均匀，流量差小于10%，满足规范要求。

死水位和正常蓄水位的发电与抽水工况断面流速分布见表8～9。4种工况均表现为左右进/出水口4孔拦污栅断面流速分布左右较为对称，进流时不均匀系数小于1.5，出流时不超过2.0，满足规范要求。

4.3 下库优化方案布置

下库进/出水口为3隔墩4流道布置，防涡梁段底板高程为223 m，长度11 m，防涡梁间隔1 m，断面尺寸1 m×1.5 m（宽×高），每孔拦污栅断面尺寸5 m×9 m（宽×高）；调整段底板高程为223 m，长度6 m；扩散段底板高程为223 m，长度40 m，断面尺寸由24.5 m×9 m（宽×高）渐变至5.3 m×6.8 m；下方门井段底高程223 m，长度9 m，断面尺寸5.3 m×6.8 m（宽×高），布置见图6～8。

4.4 下库研究成果

各工况下水头损失见表10。与表5上库计算结果对比可以发现，抽水工况下，上库的水头在死水位和正常蓄水位的水头损失均大于下库，均多0.11 m。但在发电工况下，两种水位下的下库水头损失都比上库多0.13 m。并且，上库水头损失在抽水工况下大于蓄水工况，而下库则相反。

死水位抽水与发电两种工况下各孔流道过流量均表现为左右进/出水口4孔过流量左右较为对称，同一进/出水口过流量与分流比呈边孔流道大、中孔流道小分布，流量分配较均匀，流量差小于10%，均满足规范要求。

正常蓄水位运行时，在抽水工况下，左右进/出水口4孔过流量左右较为对称，同一进/出水口过流量与分流比呈边孔流道大、中孔流道小分布。发电工况下流量与分流比基本呈边孔流道大、中孔流道小分布。两种工况流量分配均匀，流量差均小于10%，满足规范要求。

死水位和正常蓄水位抽水与发电4种工况下，左右进/出水口4孔拦污栅断面流速分布均表现为左右

较为对称；同一进/出水口，各流道拦污栅断面流速呈上小、底大分布。不均匀系数进流时小于1.5，出流时小于2.0，满足规范要求。

5 结果讨论

结合上、下库进/出水口原方案与优化方案的研究结果进行对比，原方案在死水位发电工况下，进水口水头损失0.31 m，水头损失系数0.31；死水位抽水工况下，出水口水头损失0.39 m，水头损失系数0.53。而优化方案死水位发电工况下，进/出水口水头损失0.27 m，水头损失系数0.28；死水位抽水工况下，进/出水口水头损失0.32 m，水头损失系数0.44。对比可知，优化方案在死水位发电和抽水工况下的水头损失系数均有下降。

原方案在死水位发电工况下，拦污栅断面平均流速0.72～0.91 m/s，最大流速0.93～1.22 m/s，流速分布不均匀系数1.29～1.36；抽水工况下，拦污栅断面平均流速0.81～0.94 m/s，最大流速2.19～2.78 m/s，流速分布不均匀系数2.69～3.00，不满足不均匀系数小于2.0的要求。而优化方案死水位发电工况下，拦污栅断面平均流速0.68～0.98 m/s，最大流速0.96～1.39 m/s，流速分布不均匀系数1.38～1.40；抽水工况下，拦污栅断面平均流速0.77～1.03 m/s，最大流速1.55～1.99 m/s，流速分布不均匀系数1.92～2.00，满足规范要求。对比可知，优化方案在死水位发电工况的拦污栅断面平均流速、最大流速和流速分布不均匀系数与原方案相差不大，但在抽水工况的最大流速和流速分布不均匀系数有较大的优化，解决了原方案拦污栅断面流速分布均匀性不满足规范的问题。

6 结 论

本文采用三维数学模型对安徽省石台抽水蓄能电站上、下库进/出水口布置与体型进行了验证和优化研究，提出了上、下库进/出水口体型的推荐方案，主要研究结论如下。

（1） 进/出水口进流时拦污栅断面流速不均匀系数小于1.5，出流时小于2.0，拦污栅断面流速分布均匀性满足规范要求。

（2） 进/出水口进流时各流道分流比为20.58%～30.45%，出流时为20.8%～27.91%，相邻边、中孔流道的流量不均匀程度均未超过10%，分流比均满足规范要求。

（3） 进/出水口进流时水头损失系数0.28～0.30，出流时水头损失系数0.44～0.46，满足规范要求。

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（编辑：张 爽）

Numerical simulation analysis and research on inlet and outlet of upper and lower reservoirs of pumped storage power station

WANG Ke1，LI Jiaona1，ZHANG Chao2，PENG Xiang1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.The Administrative Office of the Gaiziku River Basin in Kashgar Prefecture，Kashgar 844099，China）

Abstract：

The inlet and outlet are pivotal elements of hydropower station water intake structures，and their hydraulic characteristics are essential for reducing head loss.To mitigate the impact of head loss caused by adverse factors such as air entrainment vortices and reverse flow during inflow and outflow，a three-dimensional mathematical model was utilized for numerical simulation and analysis.Key evaluation indicators encompassed the flow patterns at the inlet/outlet，the distribution ratio of flow among channels，the uniformity of flow velocity distribution at the trash rack cross-section，and head loss.This study validated and optimized the layout and geometry of the inlet and outlet for the upper and lower reservoirs of the Shitai Pumped Storage Power Station in Anhui Province.A recommended scheme was proposed based on the findings.The results demonstrated that the optimized scheme significantly improved the flow conditions at the inlet and outlet，enhanced the uniformity of flow velocity，and reduced head loss.It was found that ① The distribution ratios of flow among channels during inflow and outflow were 20.58% to 30.45% and 20.8% to 27.91%，respectively.The flow uniformity of the adjacent edges and middle channel remained below 10%，indicating smooth flow conditions without adverse flow patterns such as air entrainment vortices or strong backflow.② The flow velocities within each channel and the distribution of flow between channels exhibited high uniformity，with the non-uniformity coefficient of the trash rack cross-section during inflow being below 1.5，and during outflow being less than 2.0，thus meeting relevant regulatory requirements.③ The head loss coefficients during inflow ranged from 0.28 to 0.30，and during outflow from 0.44 to 0.46，all complying with specifications.The research outcomes can serve as a reference for similar engineering projects design.

Key words：

mathematical model； flow pattern； diversion ratio； flow rate distribution uniformity； head loss； Shitai Pumped Storage Power Station