西玉龍抽水蓄能電站岔管水力特性研究

西玉龍抽水蓄能電站岔管水力特性研究

在現(xiàn)代工業(yè)和生活中，最高能源行業(yè)往往不受歡迎。因此，具有調(diào)節(jié)峰功能的旁通式能源氣田越來越受到重視。為了節(jié)省資源,抽水蓄能電站的引水系統(tǒng)常常采用一管兩機的布置方式,在主管和連接機組的支管之間用三岔管連接。由于抽水蓄能電站雙向水流的特點和岔管自身的特點,使得岔管內(nèi)流態(tài)復(fù)雜,岔管承受的內(nèi)水壓力大,結(jié)構(gòu)和受力條件復(fù)雜,成為輸水系統(tǒng)的關(guān)鍵部位。內(nèi)加強月牙肋三岔管是抽水蓄能電站引水系統(tǒng)中廣泛使用的形式,它具有受力合理、設(shè)計方便、結(jié)構(gòu)可靠等特點,但是目前對其水力特性的研究工作做得很少,尤其是在肋寬比對岔管水力特性的影響方面。本文針對內(nèi)加強月牙肋三岔管,詳細地研究分岔角、肋寬比和分流比對岔管水頭損失和岔管內(nèi)流態(tài)的影響。1岔管網(wǎng)格劃分西龍池抽水蓄能電站的設(shè)計岔管分岔角為75°,肋寬比為0.32,如圖1所示,1#支管與岔管連接部分是一段彎管。為了系統(tǒng)的研究問題,又選取分岔角為55°與90°的兩種岔管,其支管完全對稱布置。分岔角為55°的岔管體形如圖2所示,分岔角為90°的岔管體形除分岔角外與其完全相同。圖3給出了肋寬比為0.32的月牙形肋板的示意圖。定常不可壓縮流動N-S方程的張量形式為??xi(ui)=0(1)ρ??t(ui)+ρ??xj(uiuj)=-?p?xi+?τij?xj+ρgi(2)其中?τij?xj=??xj[μ(?ui?xj+?uj?xi-23δij?ul?xl)-ρˉu′iu′j](3)在岔管內(nèi)部存在漩渦流動,流線發(fā)生強烈彎曲,因此選用RNGk-ε湍流模型,其張量形式為ρDkDt=??xi[αkμeff?k?xi]+Gk+Gb-ρε(4)ρDεDt=??xi[αεμeff?ε?xi]+C1εεkGk-C2ερε2k-Rε(5)式中:Gk表示由于平均速度梯度而引起的脈動動能產(chǎn)生項;Gb表示由于浮力而引起的脈動動能產(chǎn)生項。d(ρ2k√εμ)=1.72?v√?v3-1+Cvd?v(6)Gk=-ρˉu′iu′j?uj?xi(7)Gb=-1ρ(?ρ?Τ)pgiμtΡrt?Τ?xi(8)Rε=Cμρη3(1-η/η0)1+βη3ε2k(9)其中?v=μeff/μ,η=Sk/ε,常數(shù)C1ε=1.42,C2ε=1.68,αk=1.393,αε=1.393,Cv=100,Prt=0.7179,Cμ=0.0845,η0=4.38,β=0.012。岔管上游的入口斷面滿足如下邊界條件u=const,v=w=0,?p?x=0(10)岔管下游的出口斷面滿足如下邊界條件?u?x=?v?x=?w?x=0,p=const(11)其中x方向為管道的軸向方向。圖4展示了分岔角為90°的岔管網(wǎng)格劃分情況,在岔管處采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在主管與支管中采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。N-S方程和RNGk-ε湍流模型用有限體積法離散。2計算結(jié)果和分析2.1使用i的分岔角如圖1和圖2所示,在岔管的上下游分別截取斷面,主管斷面為0,支管斷面為i(i=1,2)。根據(jù)能量定恒原理,在發(fā)電工況下,主管斷面與支管斷面滿足如下方程Ζ0+p0γ+V202g=Ζi+piγ+V2i2g+hi+∑λjljdjv2j2g(12)式中:Z0\,Zi分別為主管斷面與支管斷面的高程,在本研究中Z0=Zi;p0、pi分別為主管斷面與支管斷面的壓強;V0、Vi分別為主管斷面與支管斷面的平均流速;hi為岔管的水頭損失;∑λjljdjV2j2g為主管斷面與支管斷面之間各段管道的沿程水頭損失,其中沿程水頭損失系數(shù)λj由下列表達式確定λj=8gcj2(13)cj=1nRj1/6(14)岔管的水頭損失系數(shù)定義為ζi=hiV02/2g(15)在抽水工況下,岔管的水頭損失系數(shù)可根據(jù)上述方法同樣定義。在分岔角為75°的設(shè)計岔管中,1#支管彎段與岔管直接相連,很難將彎管的局部水頭損失和岔管的水頭損失區(qū)分開,所以1#支管岔管的水頭損失定義為岔管水頭損失與彎管局部水頭損失之和。設(shè)計岔管在典型工況下水頭損失系數(shù)的計算值與實驗值對比見表1,總體來說兩者吻合得很好。在典型工況下,岔管原型的雷諾數(shù)介于Re=1.69×107與Re=3.92×107之間,管道壁面的相對粗糙度ks/d=1×10-4;水工實驗?zāi)Ｐ偷睦字Z數(shù)介于Re=2.02×105與Re=4.83×105之間,比岔管原型的雷諾數(shù)小,數(shù)值計算模型的雷諾數(shù)與岔管原型的雷諾數(shù)相同。由于兩種模型均處于水力過渡區(qū),所以計算值應(yīng)該比實驗值略小,表1中的數(shù)據(jù)正反映了這一現(xiàn)象。設(shè)計岔管的2#支管不存在彎段,其水頭損失能夠說明不同工況對岔管水頭損失的影響:兩機同時發(fā)電岔管的水頭損失最小,兩機同時抽水次之,單機抽水第三,單機發(fā)電最大。工況對岔管水頭損失影響的原因?qū)⒃诹鲬B(tài)分析中給出。將設(shè)計岔管的肋寬比減小到0.00,其在兩機同時發(fā)電工況下的水頭損失系數(shù)與設(shè)計岔管對比見表2。表2中的數(shù)據(jù)表明,內(nèi)加強月牙肋能夠顯著降低岔管的水頭損失,這一點與前人的研究成果相吻合。分岔角為55°和90°的兩種岔管,在兩機同時發(fā)電和同時抽水工況下,水頭損失系數(shù)隨肋寬比改變(0.28～0.50)的變化如圖5所示。圖5中曲線表明,肋寬比在0.28至0.50之間變化時,月牙肋對岔管水頭損失的影響很小,此時肋寬比的選取應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)強度的要求來決定。分岔角為55°和90°的兩種岔管,肋寬比為0.50,在支管分流比改變的情況下發(fā)電,其水頭損失系數(shù)見圖6。從圖6中可以看出,隨著分流比的增加,岔管水頭損失系數(shù)先緩慢減小再迅速增加,在分流比為0.40附近,水頭損失系數(shù)達到最小;分流比在0.40～0.60之間變化時,其對岔管水頭損失系數(shù)影響不大。因此,應(yīng)在分流比為0.50時兩機同時發(fā)電或抽水,以減小岔管水頭損失。從圖5和圖6中可以看出,隨著分岔角增加,岔管的水頭損失系數(shù)逐漸增加。因此,在布置允許的情況下盡量采用分岔角小的岔管。2.2岔管內(nèi)壓水管至受害者在典型工況下,設(shè)計岔管內(nèi)的流線分布如圖7所示。從這些流線分布圖中可以看出不同工況下岔管內(nèi)的流動狀態(tài)。(1)兩機同時發(fā)電,兩支管中流量相等,由于月牙肋的導(dǎo)流作用,岔管內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定,沒有漩渦產(chǎn)生,水頭損失主要來自于管道的擴張和流動方向的改變。(2)兩機同時抽水,兩支管內(nèi)流量相等,岔管內(nèi)流動基本穩(wěn)定,沒有明顯的大漩渦產(chǎn)生,兩支管的出水水流在岔管處相互撞擊摻混形成小尺度漩渦,因此其水頭損失大于兩機同時發(fā)電的工況。(3)單機發(fā)電,一支管過流,另一支管不過流,在不過流支管內(nèi)形成死水區(qū),當(dāng)主管水流進入岔管后,與不過流支管內(nèi)的死水發(fā)生撞擊,在不過流支管內(nèi)形成大范圍的大尺度漩渦,水流很不穩(wěn)定,因此其水頭損失最大。(4)單機抽水,一支管過流,另一支管不過流,在不過流支管內(nèi)形成死水區(qū),當(dāng)過流支管內(nèi)的水流進入岔管后,與不過流支管一側(cè)的岔管壁面發(fā)生撞擊,在不過流支管內(nèi)死水與岔管內(nèi)水流的交界處形成大尺度漩渦,但是漩渦的影響范圍小于單機發(fā)電的工況,水流也比單機發(fā)電的工況下穩(wěn)定,因此其水頭損失小于單機發(fā)電的工況。3分層模型的基礎(chǔ)分析結(jié)合西龍池抽水蓄能電站岔管水力特性研究任務(wù),通過對岔管內(nèi)水流的數(shù)值模擬得到以下幾點結(jié)論:1)分岔角增大使岔管水頭損失增加,從水力學(xué)角度考慮,建議使用分岔角小的岔管。2)內(nèi)加強月牙肋