抽水蓄能电站侧式进/出水口设计研究及CFD模拟

作     者：张新伟 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：涂兴怀

授予年度：2008年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：抽水蓄能电站 侧式进/出水口 体型优化 数值模拟 紊流模型 

摘      要：抽水蓄能电站的进/出水口兼顾进流和出流两种工况,还要适应水位变化频繁、变幅较大的特点,所以水力条件比较复杂,在电站的设计中具有举足轻重的地位.研究合理的进/出水口体型在工程中不仅能节约大量的资金,而且能改善整个输水系统的水力条件,会产生巨大的经济效益和社会效益。 我国在侧式进/出口的体型设计中主要是根据国外已建工程的经验及模型试验来选择体型参数。从已有的研究资料看,国内外关于进/出水口体型的研究主要依赖于水工模型试验。随着计算机的发展,数值模拟得到了广泛的应用。以往水工建筑物设计基本上以模型试验为依据,不仅费时耗物,而且受比尺效应的影响,不能完全反映真实的紊流流动情况。相比之下,数值模拟具有花费少、适应能力强、能提供详细的流场资料、便于方案比较等优点。人们愈来愈重视运用数值模拟手段预测各种复杂的水流现象及流场的内部结构,国际上一些享有盛名的研究所也由过去的以模型试验为主要研究手段转化为以数值模拟为主要研究手段。 本文在总结前人的研究成果的基础上,主要对抽水蓄能电站输水系统中的侧式进/出水口进行了研究和模拟,做的主要工作有: 1.收集了大量的抽水蓄能电站的最新资料,对抽水蓄能电站的现状及发展、侧式进/出口的现状及发展、侧式进/出口及竖式进/出口的比较等进行了详细的论述。对侧式进/出水口的组成部分进行了分步研究。 2.将抽水蓄能电站侧式进/出口概化为模型,利用标准κ-ε湍流方程,对发电工况下侧式进/出水口的扩散段、孔口、防涡粱底部的水流流动进行了二维数值模拟。对不同方案的双向水流进/出口的各项水力特性进行了比较、研究分析,重点是进/出口的体型及位置的变化对水流的影响,计算各种体型下的水头损失系数,初步确定了最优体型。为侧式进/出口的优化提供了可靠、详细的依据。 3.为进一步研究发电工况进流时扩散段、孔口附近的流动特性,以及探讨发电工况下孔口处反向流速的成因。建立三维数值计算模型,重点对现在工程上常用的矩形防涡梁和阶梯式防涡梁的进/出水口进行了模拟,计算出了水口损失系数、流速不均匀系数、流道比、动水压强等,通过与模型试验数据的对比,推荐使用阶梯式防涡梁进/出水口。