抽水蓄能电站侧式进/出水口水力数值模拟方法适用性研究

作     者：陈昊 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高学平;王英伟

授予年度：2019年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 080103[工学-流体力学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：抽水蓄能电站 侧式进/出水口 水力特性 计算效率 模型试验 数值模拟方法 

摘      要：随着我国电网容量不断增加,抽水蓄能电站凭借着电能回收效率高、响应迅速、使用寿命长的优势在电力调节中的作用越来越明显。侧式进/出水口作为电站输水系统的重要组成部分,直接影响着电站的安全及效益。近年来,随着理论和计算性能的不断发展,数值模拟成为侧式进/出水口水力特性研究的一种重要手段。侧式进/出水口内部水流属于湍流运动,且水流条件较复杂,因此数值模拟方法的选择对侧式进/出水口水力特性的数值模拟结果有所影响。本文采用多种湍流模型、网格尺度及壁面函数,对清原抽水蓄能电站下水库单体侧式进/出水口进行数值模拟,结合模型试验,研究各数值模拟方法的适用性。（1）采用声学多普勒流速仪（ADV）、激光粒子图像测速仪（PIV）等,对清原下水库侧式进/出水口单体模型进行试验测量。进流及出流工况下,进/出水口水头损失系数较合理,拦污栅断面流速分布较均匀,进/出水口内部发现存在低流速区。（2）采用标准k-ε、RSM、LES和DES四种湍流模型对清原下水库单体侧式进/出水口进行数值模拟。综合考虑计算准确性及计算用时,进流工况,四种湍流模型计算结果误差均较小,对孔口内部低流速区模拟效果较好,采用RSM模型计算效率较高;出流工况,LES模型计算准确性最高,RSM模型误差较小且用时相对较短,对孔口内部低流速区模拟效果较好,计算效率较高。（3）在采用RSM模型进行计算的基础上,对0.024H、0.018H、0.013H（H为孔口高度）三种网格尺度的模型进行数值模拟。进流及出流工况,对于水头损失系数、拦污栅断面平均流速和流速不均匀系数等水力特性参数,三种网格尺度的数值解已接近解析解,三种网格尺度对数值模拟结果影响较小,网格尺度为0.024H时已基本满足计算要求。（4）在采用RSM模型同时网格尺度为0.024H的基础上,分别采用标准壁面函数、可延展壁面函数和非平衡壁面函数对清原下水库单体侧式进/出水口进行数值模拟。综合考虑计算准确性及计算用时,非平衡壁面函数与其他两种壁面函数相比,在进流及出流工况计算准确性均较高,对孔口内部低流速区模拟效果较好。（5）结合模型试验,对比分析了多种湍流模型、网格尺度和壁面函数条件下清原单体侧式进/出水口的数值模拟精度和计算效率。结果表明,进流及出流工况,采用RSM模型、0.024H网格尺度及非平衡壁面函数时,数值模拟的计算准确性及效率较高。