水电站进水口渐变段局部水头损失研究.pdf

水利水电技术第47卷2016年第4期水电站进水口渐变段局部水头损失研究陈姣姣1，蔡新2(1．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2．河海大学力学与材料学院，江苏南京210098)摘要：为研究水电站进水口渐变段局部水头损失，分别针对渐变段长度、隧洞长度和圆形隧洞直径三个影响因素，采用CFD方法模拟了15种进水口渐变段，进行数值分析。在此基础上，通过量纲分析研究了水电站进水口渐变段水头损失的敏感性。结果表明：水电站进水口渐变段局部水头损失与渐变段长度、隧洞长度和圆形隧洞直径有关；渐变段长度、隧洞长度对局部水头损失影响较小，而隧洞直径对局部水头损失影响较大。研究结果可为水电站进水口渐变段设计计算提供参考。关键词：进水口；渐变段；局部水头损失；数值模拟；量纲分析doi：10．13928／j．cnki．wra}le．2016．04．014中图分类号：TV732．1文献标识码：A文章编号：1000．0860(2016)04．0063．04Stlldyonlacalheadlo鹦ofintaket瑚Illsi60nsec60nofhydropowersta60nCHENJiaojia01，CAIXin2(1．CoⅡege0fwaterConservancy&HydmpowerEn西neering，Hohaiurtiversity，Nanjing210098，Jian铲u，china；2．CoUege《Mechanics&Materials，HohaiUniversity，N觚jing210098，Jiallgsu，China)AbstnIn：Inordertostudytllelocalhead0fdleintaket啪sitionsectionlossofhyd】∞powerst撕on，thenumericalsimul撕ollsaremadeon15kinds0fintake仃ansitjonsections响hCFDfortIle山reeimpactingfactorssuchasthelengthoftlIetmsitionsec—tion，tlletunnellength肌dthedi锄eterofcirclll盯tunnel．OnthebasisoftlIis，tllesensitivity0ftIIehead10ss0ftIleintaketm—sitionsecⅡon0fhydmpowerstationis粕alyzedt11Iougllt11erelevaIltdimensionalanalysis．．11leresllltshowsthattllelocalheadoftIleintaketmsitionsectionlossofhydropowerst撕onisrelatedtot}Ie1eng出ofmetrarIsitionsection，thetu硼ellengtllandtlIediameterofcirclllartu仰el，w】1ilet}leimpactsf而mthelength0ftransitionsectionandtllelengtIl0ftunnelonf11elocalheadlossaresmaUerandtlleimPactf而m山edi砌eter0ftunnelonthe10cal10ssisl叫ger．Thestudyresultcanprovidereferencesf斫tlledesigIlcalculationofintaketransitionsection．KeywoHIs：intal(e；tr帅sitionsection；10calheadloss；numericalsimIIlation；dimensionalaIlalysis水头损失形式可以分为沿程水头损失和局部水头损失，进水口的水头损失主要是局部水头损失。局部水头损失的产生是因为局部边界急剧改变，使得正常流动遭到局部破坏，水流出现剧烈地紊动、脱离管壁，以致形成涡流和绕过障碍物等的现象，流体的动量交换加剧，在此过程中水流能量损失¨‘2j。目前，对局部水头损失的研究主要有物理模型试验法和数值模拟法两种方法。在以往的研究中，ValiantzasHl通过考虑局部水头损失和沿程水头损失的关系对Darcy—Weisbach公式进行了改进。TracyB．VenneyenHl用物理模型试验，以取水口为分层式的格伦峡谷坝m研胎Mm4”dHyd唧∽rE晒H硎馏的f．47N0．4(GlenCaJlyonDam)为依据，主要对分层进水口的水头损失、涡的形成等进行了分析。陈朝【51对几种常见管道进行数值模拟，数值模拟运用了三维七一占紊流模型，研究分析了管道几何尺寸对局部水头损失和水流流态的影响。李协生【6J以渔子溪一级水电站引水隧洞为例，采用近似公式框算以及水工模型试验成果相互验证，确定影响引水隧洞渐变段水头损失的因段稿日期：20t5．09．14基金项目：国家“十二五”科技支撑计划(2012BADl0802)。作者简介：陈姣姣(1992一)，女，博士研究生。68 陈姣姣，等∥水电站进水口渐变段局部水头损失研究素，并通过原型观测加以印证。对于进水口渐变段的设计，以往一般是根据经验，对渐变段水头损失没有加以考虑(见图1)。本文将采用标准．j}一s紊流模型⋯，对进水口渐变段进行数值模拟，分析其水头损失的变化规律，研究渐变段长度、隧洞长度、圆形隧洞直径对水头损失的影响。图1渐变段位置及体型结构示意1数学模型及其解法1．1基本控制方程在水电站进水口体型设计中，应尽量做到进水口水流顺畅、水流匀称及流态平稳，最终达到减小水头损失的目的。在设计过程中，往往采取数值模拟的方法达到目的。与物理模型试验相比，数值模拟可以通过计算机模拟水流运动情况，具有花费少、速度快等优点。在流体力学领域，数值模拟方法逐渐成为一种不可或缺的方法，计算流体力学(CFD)逐渐发展成熟起来。从cFD的观点来看，水力损失计算的准确与否，关键在于湍流计算方法的选用。本文模型采用三维昆一s紊流模型，基本控制方程如下。连续性方程警：o(1)^V一、一，动量方程击(p“)+蠹(以％)一轰+轰×[肛卷讹(豢+拦)]+昭怛c2，式中，弘。由紊流动能矗及紊流动能耗散率s确定。L2肌=pq等(3)忌方程为啬c肚，+最c以后，一蠹№+等)×蓑]+G—ps(4)s方程为击c纠+蠹c以8，=蠹№+尝)×轰]+c。。詈G—c：∥}(5’式(3)和式(4)中的G为产生项G确(爱+爰)×拦c6，式中，．|}为单位质量紊动动能。危=u’：u’。／2(7)式中，p为流体密度；p为压强；￡为时间；阢为i方向的速度分量；肛为动力粘性系数；F。为作用于单位质量水体的体积力；盯。为紊动动能普朗特常数；s为紊动动能耗散率；盯。为耗散率普朗特常数；c。、G。。、c：。、叽和盯。是模型通用常数，分别取为0．09、1．44、1．92、1．0和1．3。1．2边界条件与计算参数通过IcEM—cFD软件进行网格划分，计算区域全部采用六面体结构网格。各个模型采用统一的边界条件：进水口设置为速度进口，进口速度取为2．5In／s，出水口设置为压力出口，固壁边界采用无滑移条件。计算模型采用后一s紊流模型，采用sIMPLE方法进行数值计算。计算假设在当地大气压下，水体温度为20℃时(此时水体密度为998．2kg／m3，粘性系数为1．002×10。Pa·s)，管内当量粗糙度△取值为o．1mm，计算模型纵断面如图2所示。水流爿IB：Q么至兰_’，4’厶图2模型纵断面示意1．3计算的理论基础对管道里的水流流动，取两个断面进行模拟，根据伯努里方程有z，+等+“毛≈z+等+噻+危。c8，水利水电技术第47卷2016年第4期 式中，z．、z：分别为过水断面A—A’、B—B’的平均高程；p。、p：分别为过水断面A—A’、B—B’的平均压强；移．、”：分别为过水断面A—A’、B—B7的平均速度；n为修正系数，取为l；^。为两断面间的水头损失。”警蝎_+本文中取断面A—A’、B—B程，即zl=z2有h。：堕尘+≮兰(10)ps‘g2计算结果及分析2．1渐变段长度对水头损失的影响考察改变渐变段长度￡：，各部分几何尺寸取如下表所示数值，进行五个不同长度厶的数值模拟，为了消除沿程水头损失的影响，取L：+厶为相等的值20m(见表1)。水头损失随渐变段长度变化如图3所示。表1研究渐变段长度对水头损失影响各部分取值项目L／mD／m￡一／m如／mL／m岛／m115521020lO321062421442281851291923456789lOll121314l5渐变段长度／m图3水头损失随渐变段长度变化由图3可以看出，在渐变段与圆管段长度之和相同的情况下，随着渐变段长度的增大，渐变段局部水头损失减小。渐变段长度为15m的管道比渐变段长度为1m的管道水流掺混的长度短，故而局部水头损失减小，同时整个管道的用水头损失也随着渐变段长度的增大而减小。所以在设计中，可以通过适当延长渐变段长度，以达到降低整个进水口水头损失的效果。2．2圆形隧洞段长度对水头损失的影响针对长度为10m的变径管，改变其后圆管段长度，得出圆管段长度与水头损失的关系，如表2所水利水电技术第47卷2016年第4期陈姣姣，等∥水电站进水口渐变段局部水头损失研究列。水头损失随圆管段长度变化如图4所示。表2研究隧洞段长度对水头损失影响各部分取值项目厶7mD，mL．／m岛／m厶／m￡5／ml202302102lO340450。／，／●+局部水头损失—·一总水头损失O2U304U5060圆管段长度，m图4水头损失随圆管段长度变化由图4可以看出，在渐变段与圆管段直径相同的情况下。随着圆管段长度的增大，局部水头损失减小，这是由于随着圆管段长度的延长，在A—B断面问，压强变化减小，从而使得局部水头损失减小。但是随着圆管段长度的增长，管道总水头损失增大，所以意图通过延长圆管段长度来达到减小水头损失的做法是不可行的。2．3圆形隧洞段直径对水头损失的影响为了研究圆形隧洞段直径对水头损失的影响，取￡为2m，￡l和￡2为10m，L3为20m，￡4为2m，L5为10m，改变圆管直径，一般工程中圆管段直径不大于方管段直径，所以依次取为1．0m、1．2m、1．4m、1．6m、1．8m、2．0m，计算结果如图5所示。’I＼＼。＼．。O505二()25圆管直径／m图5水头损失随圆管直径变化从图5可以看出，在渐变段与圆管段长度相同的情况下，随着圆管管径的增大，渐变段局部水头损失迅速减小。隧洞段直径为2m的管道比隧洞段直径为lm的管道水流掺混的程度小，故而局部水头损失减小，整个管道的总水头损失随着管径的减小而减小。O05432，E＼水辎永*05U5O505O●4，j，j，-，oI●0E＼迫水骚冰繁 陈姣姣，等∥水电站进水口渐变段局部水头损失研究所以在设计中，可以通过尽量使圆管段直径接近方管段边长，以达到降低整个进水口水头损失的效果。3量纲分析由水力学知识和数值模拟结果可知，在水流速度、方管段一定的情况下，渐变段局部水头损失和渐变段长度、圆管段直径、圆管段长度有关，式(11)列出了影响局部水头损失的相关物理量。危，=咖(Di，￡i，6。)(11)式中，矗，为渐变段局部水头损失；口，为圆管段直径；t为渐变段长度；6i为圆管段长度。根据量纲分析原理，选取几何量圆管段直径Di为基本物理量，剩余3个物理量与1个基本物理量组成3个无量纲项，分别为每、每、爰。将无量纲项带人上式得每=咖㈢参)(12)将上式各项进行对数处理后，通过SPSs软件进行线性回归，得到下式矗，=。Di48￡fo-066f0‘06(13)式中，o为常数，与速度、水流粘滞系数、管壁糙率等有关。根据数值模拟的范围，公式(13)适用于方管段边长为2m，水流流速为2．5n∥s，水温为20℃，管内当量粗糙度为△=0．1mm的情况。虽然公式具有局限性，但是可以反映出渐变段长度、圆管段直径和圆管段长度对渐变段局部水头损失的影响。渐变段局部水头损失受渐变段长度和圆管段长度影响相对较小，主要与渐变段的相对管径有关。4结论本文通过量纲和谐原理，将影响渐变段局部水头损失的各物理量转化为无量纲因式，得到各物理量之间的关系，并建立了关系式。通过cFD数值模拟与量纲分析研究了进水口渐变段局部水头损失，数值模拟得出进水口渐变段局部水头损失与渐变段长度、圆管段直径和圆管段长度有关，圆管段直径对其影响最大的定性结论。通过量纲分析定量得出进水口渐变段局部水头损失对各影响因子的敏感性，得出计算局部水头损失的可表达式，该表达式可以计算特定情况下的局部水头损失。本文提出的模型有助于在给定范围内准确计算进水口渐变段局部水头损失，研究结果可为进水口水力计算提供参考。参考文献：[1]王波．电站进水口联系梁对水流影响的三维数值模拟研究[D]．武汉：长江科学院，2012．刘启钊．水电站[M]．北京：中国水利电力出版社，1997．王福军．计算流体动力学分析：cFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004，JohnD．Vali帅tzas．Modi6edHazen-Willi枷saIldDarcy-WeisbachEquationsforF^ctionandkalHeadL0ssesalo“gI而gationhce脚s[J]．JoumalofI而gationaIldDrainageEn薄ne积ng，2005，131(4)：342-350．陈朝．常见管道局部水头损失的数值模拟[D]．天津：天津大学，2008．李协生．引水隧洞中渐变段水头损失计算问题的探讨[J]．四川水力发电，199l(1)：55—61．王亚林，朱德兰，张林．基于量纲分析的内镶圆柱式毛管局部水头损失研究[J]．水利学报，2015(5)：602—611．(责任编辑郭利娜)《水利水电技术》(月刊)征订刊号：凳翟≠骂燃邮发代号：2—426。。。。CNl1—1757／1V””一‘。。。一⋯《水利水电技术》是由水利部主管，水利部发展研究中心主办的我国水利水电行业的综合性科技期刊，1959年创刊，对国内外公开发行。它以介绍我国水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的各项先进技术。目前，本刊发行遍及全国，是我国水利水电科技刊物中影响较大、发行量较多的刊物。刊物主要栏目有：水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。本刊为大16开本，每期定价16元，全年12期共计192元。凡需订阅者请到各地邮电局(所)订阅，也可直接与本刊联系。欢迎踊跃投稿、订阅，并提出宝贵意见。地址：北京海淀区玉渊潭南路3号c座邮编：100038电话：010一63205499传真：010一63205987投稿网站：hnp：／／www．slsdjs．com水利水电技术第47卷2016年第4期234567