探究電站庫盆流態(tài)混交模型模擬

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1模型建立

根據(jù)電站上庫正常水位值，并考慮適當(dāng)水位加高，上庫地形制作高程為530m．模型按弗汝德數(shù)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，并考慮阻力相似．另外考慮到試驗(yàn)成果精度、試驗(yàn)場地和材料等，選定模型長度比尺為50，采用整體正態(tài)模型，上庫模型庫盆截取范圍為整個(gè)庫盆面積．在抽水蓄能電站上庫進(jìn)出水口攔污柵槽處布置測流斷面，每個(gè)通道(面向庫盆通道號由右至左排列)分左、中、右3條測流垂線，每條垂線劃分為7個(gè)水層測點(diǎn)，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出各個(gè)通道的平均流速和流量分配，由于庫水位的變化對通道平均流速和流量分配影響較小，取3個(gè)特征水位(死水位、1/2工作水位和正常蓄水位)條件下的平均值作為數(shù)學(xué)模型的計(jì)算條件，并假定其不隨庫水位的變化而變化．在抽水蓄能電站庫盆水流中，水平尺度一般遠(yuǎn)大于垂向尺度，水力參數(shù)(如流速)沿垂直方向的變化常采用其垂向平均值，并假定沿水深方向的動(dòng)水壓強(qiáng)服從靜水壓強(qiáng)分布．將三維流動(dòng)的控制方程沿水深積分平均，即可得到沿水深平均的平面二維水流運(yùn)動(dòng)的基本方程，平面二維水流基本方程包括水流連續(xù)方程和水流運(yùn)動(dòng)方程．二維水流基本方程空間離散時(shí)用有限體積方法，時(shí)間離散用蛙跳方法．水流邊界條件為抽水蓄能電站進(jìn)出水口進(jìn)流和出流各通道流量分配，外邊界為抽水蓄能電站水庫主、副壩和庫岸．外邊界的處理方法是令閉邊界的法向流速為0，而沿切線方向的流速為非0值．采用“凍結(jié)法”處理干濕邊界，根據(jù)計(jì)算水位和庫底高程判斷網(wǎng)格單元是否露出水面，即定義臨界水深為0．005～0．01m，當(dāng)水深大于臨界水深時(shí)，糙率取正常值，反之糙率取一大值(1010量級)．具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)．計(jì)算區(qū)域采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為5m×5m，x方向網(wǎng)格總數(shù)為176個(gè)，y方向網(wǎng)格總數(shù)為159個(gè)．

2模型驗(yàn)證

由于庫盆內(nèi)沒有實(shí)測進(jìn)流和出流資料，本文參照相關(guān)教材［13］，采用糙率值如下:樹林0．070，旱地0.065，水田0．050，水面0．025．如果某網(wǎng)格內(nèi)含有多種地形，則按照各種地形糙率的加權(quán)平均值確定該網(wǎng)格的糙率．此外，經(jīng)驗(yàn)表明，糙率隨水深增加而減小，并趨于穩(wěn)定，據(jù)此規(guī)律確定抽水和發(fā)電工況計(jì)算中網(wǎng)格的糙率．圖1引水渠測流斷面布置示意圖在引水渠內(nèi)3個(gè)斷面布置測流斷面，樁號為0-156.685、0-198.573和0-248.573，如圖1所示，每個(gè)測點(diǎn)分別測量了其表面及底部的流速值，兩個(gè)值取平均作為該點(diǎn)的平均流速．利用實(shí)測發(fā)電工況引水渠流兩個(gè)特征水位(死水位和1/2工作水位)對應(yīng)的流速數(shù)據(jù)對建立的混交模型進(jìn)行驗(yàn)證．為發(fā)電工況運(yùn)行下引水渠流速分布試驗(yàn)值和模型計(jì)算結(jié)果的比較，3計(jì)算工況庫盆流態(tài)主要取決于庫盆環(huán)流和水流強(qiáng)度，抽水蓄能電站上在各種工況運(yùn)行時(shí)，在庫盆內(nèi)會出現(xiàn)環(huán)流區(qū)．因此對于抽水蓄能電站上庫，本文模擬了抽水工況和發(fā)電工況運(yùn)行條件下3個(gè)特征水位的庫盆流態(tài)．近集中進(jìn)入通道，因此靠近進(jìn)水口附近的斷面(如0-156.685斷面)流速普遍較大，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也基本保持一致，所建立的混交模型能夠合理的反映出庫盆水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律．

3計(jì)算結(jié)果與分析

為抽水蓄能上庫在抽水工況運(yùn)行下3個(gè)特征水位對應(yīng)的庫盆流態(tài)，在庫水位較低時(shí)(死水位)，水流出流后主要沿著引水渠流動(dòng)，在遇到庫盆中間山包后水流一分為二，引水渠偏左(面向庫盆)的一股水流形成一逆時(shí)針方向的環(huán)流區(qū)，環(huán)流流速在0．30m/s左右;引水渠偏右(面向庫盆)的另一股水流在山包兩側(cè)形成兩個(gè)順時(shí)針方向的小環(huán)流區(qū)，環(huán)流流速在0．25m/s左右．隨著庫水位的升高(1/2工作水位)，水流漫過大部分區(qū)域，水流流向不再受引水渠的影響，整個(gè)庫盆圍繞著庫盆中間的山包形成一個(gè)較大的順時(shí)針方向的環(huán)流區(qū)，環(huán)流流速在0．10m/s左右．隨著庫水位的繼續(xù)升高(正常蓄水位)，庫盆中間的山包被淹沒，順時(shí)針方向較大的環(huán)流區(qū)逐漸消失，在引水渠兩側(cè)出現(xiàn)方向相反的兩個(gè)環(huán)流區(qū)，環(huán)流流速為0．05m/s左右．從圖4可以看出，隨著庫水位的升高，庫盆內(nèi)水流流速逐漸減小．為抽水蓄能上庫在發(fā)電工況運(yùn)行下3個(gè)特征水位對應(yīng)的庫盆流態(tài)，在庫水位較高時(shí)(正常蓄水位)，整個(gè)庫盆水面較平靜，無明顯環(huán)流出現(xiàn)，只有在進(jìn)水口附近才會看到水流集中流入進(jìn)出水口，庫盆水流流速小于0．5m/s．隨著庫水位的降低(1/2工作水位)，庫盆水面面積減小，除進(jìn)水口外，其他區(qū)域沒有明顯的水流流動(dòng)，引水渠右側(cè)(面向庫盆)坡體地勢較高，水流從坡體兩側(cè)進(jìn)入到進(jìn)水口前池，整個(gè)庫盆水流流速小于1．0m/s．隨著庫水位的繼續(xù)降低(死水位)，庫盆中間的山包逐漸露出水面，水流從山包兩側(cè)匯集進(jìn)入。

4結(jié)束語

采用發(fā)電工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)對建立的混交模型進(jìn)行驗(yàn)證，靠近進(jìn)水口附近的斷面流速普遍較大，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也基本一致．建立的混交模型能夠合理地反映出庫盆水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律．應(yīng)用建立的混交模型模擬抽水蓄能電站上庫抽水工況和發(fā)電工況運(yùn)行下死水位、1/2工作水位和正常蓄水位對應(yīng)的庫盆流態(tài)．針對抽水蓄能電站庫盆流態(tài)數(shù)值模擬問題，建立了模擬庫盆流態(tài)的混交模型，庫盆流態(tài)采用直角二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)出水口模型試驗(yàn)結(jié)果為數(shù)學(xué)模型提供計(jì)算條件．在抽水工況運(yùn)行下受地形影響庫盆和進(jìn)出水口附近會產(chǎn)生環(huán)流區(qū)，兩種工況下庫盆水流流速與庫水位成反比關(guān)系，庫盆流態(tài)比較合理．

作者：張強(qiáng)王寅單位：南昌工程學(xué)院