水電站混合型調(diào)壓井水力特性數(shù)值模擬研究

結(jié)合二灘水電站、小灣水電站、洪家渡水電站和天生橋一級(jí)水電站,采用k-ε紊流模型對(duì)其進(jìn)水口水力特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,對(duì)進(jìn)水口水頭損失、流速分布及流態(tài)等方面進(jìn)行了總結(jié)。數(shù)值模擬結(jié)果得到了模型試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。

為了研究調(diào)壓井在水輪機(jī)負(fù)荷變化時(shí)的水力學(xué)特性,以漾洱水電站調(diào)壓井為研究對(duì)象,通過數(shù)值法計(jì)算調(diào)壓井穩(wěn)定斷面面積、阻抗孔尺寸、最高水位和最低水位,同時(shí)為了論證數(shù)值法可行性,采用調(diào)節(jié)保證計(jì)算機(jī)組轉(zhuǎn)速、蝸殼壓力和尾水管壓力,且以模型試驗(yàn)進(jìn)一步分析調(diào)壓井水力學(xué)特性.結(jié)果表明:調(diào)壓井的穩(wěn)定斷面面積為688.134m2,阻抗孔直徑為4.50m,最高涌波水位低于調(diào)壓井頂高程2.120m,最低涌波水位高于調(diào)壓井底板5.541m;蝸殼最大壓力水頭升高值為67.85m,上升率為29％;機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值為350.7r/min,上升率為40％;尾水管最低壓力水頭為0;蝸殼壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速和尾水管壓力在安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理范圍內(nèi);調(diào)壓井水流穩(wěn)定,流態(tài)良好,沒有產(chǎn)生旋渦,沒有出現(xiàn)負(fù)壓,阻抗孔上下壓力差較小.因此調(diào)壓井水力學(xué)特性良好,調(diào)壓井體型是合理的.

本文介紹了波波娜水電站水力過渡過程計(jì)算。通過對(duì)波波娜水電站的調(diào)壓室涌波計(jì)算、調(diào)節(jié)保證計(jì)算,為電站及引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù),為調(diào)壓室相關(guān)體型結(jié)構(gòu)參數(shù)取值提供參考。

本文描述帶尾水調(diào)壓井的水力裝置系統(tǒng)大、小波動(dòng)過渡過程基于剛性理論內(nèi)特性解析的數(shù)值計(jì)算和穩(wěn)定性分析。于1990年10月在帶尾水調(diào)壓井的鏡泊湖水電廠進(jìn)行了14種情況的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn),驗(yàn)證了所列方程組的準(zhǔn)確性。將本理論應(yīng)用于帶尾水調(diào)壓井的大朝山水電站工程,經(jīng)計(jì)算分析證明,將原設(shè)計(jì)調(diào)壓井面積減小50%仍可滿足工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際需要。本文對(duì)工程應(yīng)用具有實(shí)際意義并帶來較大經(jīng)濟(jì)效益。

卜 、 、 了1一 曼結(jié)栩大型水電站尾水調(diào)壓井 動(dòng)態(tài)過程研究 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)常近時(shí)壽梅華√羅進(jìn)7；- i提要】奉文描連帶尾水調(diào)壓井的水力裝置系統(tǒng)大，小虛動(dòng)過渡過程基于剛性理叁內(nèi)特 性解析的數(shù)值計(jì)算和穩(wěn)定性分析。于l9904~l0月在帶尾水稠壓井的鏡泊湖水電廠進(jìn)行了 14種情況的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，驗(yàn)證了所列方程婦的：隹確性。將本理鬯應(yīng)用于帶尾水調(diào) 壓井的女朝山水電站工程，經(jīng)計(jì)算分析征明，將原設(shè)計(jì)調(diào)壓井面枳減小50仍可滿足工 程安全穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際需要奉文對(duì)工程應(yīng)用具有實(shí)際意衛(wèi)并帶采較大經(jīng)濟(jì)教益， i關(guān)鍵詞1尾水淵壓并，過渡過程，1而浪計(jì)算．慨定-濁，向特性解析法 一 、概述 長(zhǎng)期以來有關(guān)研究尾水調(diào)壓井的文獻(xiàn)不太多見 并且大都仍停留在只研究“尾水調(diào)壓井一隧洞水力 系統(tǒng)．

采用fluent的動(dòng)網(wǎng)格和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)對(duì)水電站大口徑進(jìn)水球閥關(guān)閉過程進(jìn)行非定常數(shù)值模擬,并與不同關(guān)閉角度下的定常穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,提出如下結(jié)論:(1)相同關(guān)閉角度下,關(guān)閉過程中的局部損失系數(shù)高于穩(wěn)態(tài)過程中的局部損失系數(shù),且局部阻力系數(shù)拐點(diǎn)均發(fā)生在關(guān)閉角度為40°至50°之間;(2)分析非定常關(guān)閉過程計(jì)算中不同關(guān)閉角度下的總壓、速度云圖及流線分布,發(fā)現(xiàn)當(dāng)關(guān)閉角度大于50°時(shí),閥瓣與壁面的微小縫隙中逐漸形成一股高速射流,球閥主流道的高速區(qū)逐漸斷裂,球冠附近的流速梯度大且壓力梯度非常明顯,xy平面閥體后端的漩渦運(yùn)動(dòng)開始加強(qiáng)逐漸形成回流區(qū),介質(zhì)過球閥時(shí)的壓力損失明顯增加;(3)分析非定常關(guān)閉過程計(jì)算中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度隨關(guān)閉角度的變化情況,發(fā)現(xiàn)隨著關(guān)閉角度的增加,從閥門進(jìn)口左下方到閥門出口右上方逐漸形成高速流,所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)8的速度最大,而當(dāng)關(guān)閉角度增加到大于50°時(shí),由于高速區(qū)的斷裂,監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的速度最大.結(jié)論(2)和(3)的內(nèi)特性分析均揭示了閥體內(nèi)部高速區(qū)的斷裂與其外特性的聯(lián)系.

利用fluent軟件,采用vof法和k-ε紊流模型對(duì)矩形無吼段量水槽水力特征進(jìn)行三維數(shù)值模擬,得到沿程水面線及其流速分布規(guī)律,并將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果以及公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果顯示,模擬結(jié)果與二者的吻合度較好。在確定模擬準(zhǔn)確性的前提下,對(duì)其水力特性進(jìn)行分析,為矩形無喉段量水槽的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定依據(jù)。

采用k-ε紊流模型對(duì)白鶴灘水電站#1泄洪洞豎曲線段及其下游連接段水流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,獲取了流速、水面線、壓強(qiáng)、切應(yīng)力等水流運(yùn)動(dòng)參數(shù)分布。結(jié)果表明,底板和邊墻的壓強(qiáng)沿反弧向下游逐漸增大,在反弧后部1/4范圍內(nèi)達(dá)到最大,反弧末端的壓強(qiáng)梯度大于反弧起始端的壓強(qiáng)梯度;切應(yīng)力沿反弧向下游逐漸增大,且高切應(yīng)力范圍在下斜坡段延伸一段距離,而在同一斷面內(nèi)角隅附近的切應(yīng)力較大;空化數(shù)沿程減小,陡坡段開始需采取摻氣減蝕措施,防空蝕的關(guān)鍵部位為反弧段末端后邊墻的中下部和底板。

為分析比選楊房溝水電站截流工程進(jìn)占方案,通過建立相關(guān)三維數(shù)值模型,采用水力模擬計(jì)算技術(shù)對(duì)單戧堤單向及雙向立堵進(jìn)占方式的水流條件進(jìn)行了計(jì)算,并將單向立堵進(jìn)占數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明:三維數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合,計(jì)算結(jié)果偏于安全;同時(shí)指出在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下,雙向立堵進(jìn)占能夠有效降低該工程截流難度.

黑泉水庫電站調(diào)壓井空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)只采用了簡(jiǎn)化平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋計(jì)算,對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性考慮不足,無法反映襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖的整體效應(yīng),很難實(shí)現(xiàn)合理準(zhǔn)確配筋,經(jīng)黃河水利委員會(huì)三維線性有限元強(qiáng)度復(fù)核,證實(shí)黑泉水庫調(diào)壓井底板及三岔洞配筋不足,需要采取處理措施。基于三維非線性有限元法,分析圍巖固結(jié)灌漿、內(nèi)襯鋼板對(duì)調(diào)壓井襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力及三面臨空邊坡穩(wěn)定的影響,最終優(yōu)選出合理的加固處理方案。結(jié)果表明:需要采取圍巖固結(jié)灌漿、內(nèi)襯鋼板組合方法才能滿足強(qiáng)度要求,非線性有限元方法可以用于校核調(diào)壓井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,為同類工程提供了很好的參考。

應(yīng)用非定常模型對(duì)迷宮滴頭三維非定常流動(dòng)進(jìn)行了模擬?；跇?biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和vof多相流模型,得到了流道內(nèi)的速度、壓力分布及滴頭的水力特性,分析了水滴從形成到滴落的全過程。結(jié)果表明非定常模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好,其精度高于定常模型計(jì)算結(jié)果。

調(diào)壓井作為水電站引水系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)水電站運(yùn)行安全性起著至關(guān)重要的作用。本文以某水電站引水調(diào)壓井工程作為實(shí)例，并對(duì)其位置選擇、形式確立及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，以確保調(diào)壓井設(shè)計(jì)的合理性，確保水電站引水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

本文應(yīng)用三維有限體積法和simpe—c算法,對(duì)古田溪水電廠尾水管和下游尾水洞進(jìn)行了數(shù)值模擬。應(yīng)用固液兩相流理論,推導(dǎo)了具有不規(guī)則邊界時(shí)的控制方程。在規(guī)劃的矩形網(wǎng)格中,采用通度系數(shù)法處理計(jì)算區(qū)域的不規(guī)則邊界問題。計(jì)算結(jié)果給出了尾水管出口處的流動(dòng)規(guī)律,為古田溪電廠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。

本文應(yīng)用三維有限體積法和ｓｉｍｐｌｅ－ｃ算法，對(duì)古田溪水電廠尾水管和下游尾水洞進(jìn)行了數(shù)值模擬。應(yīng)用固液兩相流理論，推導(dǎo)了具有不規(guī)則邊界時(shí)的控制方程。在規(guī)劃的矩形網(wǎng)格中，采用通度系數(shù)法處理計(jì)算區(qū)域的不規(guī)則邊界問題。計(jì)算結(jié)果給出了尾水管出口處的流動(dòng)規(guī)律，為古田溪電廠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。

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龍灘水電站的尾水調(diào)壓井布置在主變洞下游，長(zhǎng)方向與主變洞平行，兩者之間巖墻厚度28．7m。尾水調(diào)壓井為阻抗式調(diào)壓井，呈廊道式布置，整個(gè)調(diào)壓井在結(jié)構(gòu)和水力學(xué)條件上，是既有分隔，又有聯(lián)合。

為減免水電站下泄低溫水對(duì)下游河段生態(tài)環(huán)境的影響,糯扎渡水電站進(jìn)水口擬采用分層取水方案。結(jié)合糯扎渡水電站進(jìn)水口兩種取水方案(雙層取水方案和多層取水疊梁門方案),采用k-ε紊流模型對(duì)不同形式進(jìn)水口的水力學(xué)特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,在進(jìn)水口水頭損失、流速分布以及流態(tài)等方面進(jìn)行了分析和比較,從水力學(xué)方面論證了分層取水方案的可行性。數(shù)值模擬結(jié)果得到了物理模型試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。

隨著我國(guó)水利事業(yè)的蓬勃發(fā)展,水電建設(shè)工程逐漸西移,越來越多的大型甚至超大型水利工程項(xiàng)目正處于規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)之中。水電站調(diào)壓井對(duì)工程整體的影響非常大,水電站規(guī)模的更大也對(duì)調(diào)壓井的施工技術(shù)增加了難度和挑戰(zhàn)。因此,開展并總結(jié)調(diào)壓井工程設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工技術(shù)研究是十分必要的。

干溪坡水電站調(diào)壓井工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜,井身圍巖為ⅳ、ⅴ類,節(jié)理裂隙發(fā)育,在整個(gè)調(diào)壓井范圍內(nèi)與f7斷層影響帶的距離較近,采用傳統(tǒng)的施工方案很難保證施工安全。而采用開挖一段襯砌一段的方案,施工難度很大。本文詳細(xì)闡述了干溪坡調(diào)壓井多循環(huán)開挖和自上而下的混凝土襯砌施工方案,解決了混凝土襯砌倒懸的施工難點(diǎn)。

水庫泥沙淤積引起庫區(qū)水位抬高,侵占調(diào)節(jié)庫容,造成庫容損失,且有害粒徑對(duì)水輪機(jī)造成磨損,從而引起水輪機(jī)運(yùn)行效率下降、出力和年發(fā)電量減小、檢修間隔縮短和費(fèi)用增大。以云南某水電站水庫為例,利用非恒定一維模型對(duì)庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)、泥沙沖淤、過機(jī)含沙量等變化進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:水庫泥沙淤積形態(tài)為三角洲淤積,泥沙淤積對(duì)調(diào)節(jié)庫容的影響較大;通過水輪機(jī)水流的含沙量較小、粒徑較細(xì),泥沙對(duì)水輪機(jī)的影響較小;泥沙淤積數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)資料相符,因此采用非恒定一維模型進(jìn)行泥沙淤積數(shù)值模擬是可行的,可有效地解決云南地區(qū)泥沙淤積數(shù)值模擬的難題。

洛古水電站調(diào)壓井深116.4m,導(dǎo)井開挖全部采用上導(dǎo)井施工,采用手風(fēng)鉆機(jī)在井內(nèi)打眼放炮。因此,井內(nèi)施工人員極易受到有害氣體、塌方、落石、滲透水的危害,安全問題十分突出。為此,施工中加強(qiáng)了通風(fēng)與除塵措施,改善了施工環(huán)境,保障了施工人員身體健康和安全。

重點(diǎn)介紹了頭道河水電站調(diào)壓井的施工經(jīng)驗(yàn),采取分步開挖、分步襯砌克服開挖跨度大、圍巖條件差的施工難點(diǎn),確保調(diào)壓井工程順利完工。