[2017年整理]三维数值分析在压力前池流场的应用.docVIP

三维数值分析在压力前池流场的应用 说明 前池（小规模的压力前池）是无压导流引水水电站的重要组成部分，其主要作用是用来调节水流量的，用来稳定水流和降低水位波动。对于稳流的基本要求就是要有小的水头损失，没有明显的分流和紊流现象，这就是发电机正常工况的条件。但是当在一些不正常的工况条件下，如超负荷运行或者在水位有明显的波动状态下就对发电机工况产生影响。所以要保持水位在压力前池中的波动不是过大的，没有明显的回流产生，也要保持足够的水位深度和防止冲压涡流的产生，以上都是影响发电机安全工作的重要因素。因此，分析压力前池对于水电站安全运行和机组正常工作具有重要意义。 当前，研究压力前池最主要的方式是模型实验和理论分析，举个例子，如公式【1】所表示的利用模型实验分析的基本的水位特征，流速和流态在压力前池负荷过重情况下的水流特点。公式【2】是利用模型实验来分析压力前池流量变化，其主要运用明渠非恒定流的水力模型实验研究和分析数据的计算公式。它建立在统计分析同圣维南公式以及一些其他理论公式的基础上来确定参数值，用来确定压力前池的流量的大小，如公式【3】所写出的那样。代数方法被用来计算前池中回流流速和浪高，在常见的明渠流的计算常用公式【4】。然而，模型实验是一种不经济，大量循环耗费资源，和大量耗时的实验方法，理论分析只能简单计算水位，水流波速。于是必威体育精装版的CFD计算模型是一种可利用，计算分析结果可靠的，同时费用低的新的研究压力前池的工具和方法。 举个特殊的水电站例子，流速分布和前池流态变化的模拟用来分析三种特殊的典型情况，譬如满荷载的情况，过载的情况和单位荷载情况下的数据分析。以上分析计算基于RNG-K紊流模型实验，该实验基于水流的3D动态CFD软件。它提供了一个水利最优化的计算和设计值。 数学模型和计算方式 RNG K –E模型理论 目前，在实际项目中使用最广泛的模型是基于RANS法则的K-E紊流模型，源于该模型实验较合理的理论分析和准确的数值计算公式【5】。然而，该模型理论还是有一些需要改进的的地方。正是由于这个原因，好多研究学者提供了一些改进措施，其中最具有代表性的是RNG K –E 扩散性K-E紊流模型。对水流流态特点进行分解、扩散，尤其是前池回流的研究与分析。这个公式利用RNG k-e 紊流模型和使用3D-流态模型软件用来计算。主要用来统一转换紊流动量k 和损失速率e在RNG-E模型曲线的运用，如【6】中所列出的式子。 其中μelf=μ+μt，这个公式的所有字符都在著作中有着意义的说明。 VOF模型 VOF模型【7】是一种被用来检测两种或两种以上非穿透液体的界面，分析掺气水流，VOF模型被用来绘制自由面。它利用连续方程来解决这个问题，掺气水流现象拥有一个普通的流速场和压力场，但是在紊流模型中，由于由于水流密度和分子粘性被一小部分体积水的质量所限制。在公式中，αω代表水的体积分数。αω=1是容器中完全注满水的状态，αω=0时代表的是容器中充满空气，αω在0-1之间时代表着部分水和部分空气自由面。Ρω和ρα代表水和空气的密度。Μω和μα分别代表水和气的分子粘性系数。 计算和方法的验证 为了去核实CFD模型的准确性和可靠度，用三个紊流通过宽顶堰、WES曲线以及明渠流的实验来证明。表1展示的是当水流通过宽顶堰时的数字计算理论分析结果，在公式【8】中也有相当好的证明，且误差小于4%。 图表2所示的是WES曲线的流态系数的数字计算理论分析结果，且误差小于1%。 图1展示的是波动周期，水流的最高水位和最低水位通过CFD曲线结合圣维南公式如图示【9】得出了一致的结果。然而，运用圣维南公式对于结果的细化却显得相当缓慢，但是利用3D模型计算则显得简洁快速，且更加接近真是情况。 在压力前池中模拟水流形态 4.1项目简介和计算条件 压力前池是一些水电站的组成部分，包括扩散段、稳定段和压力管道入口。引水渠的横截面是梯形形状，上顶宽度为26.9m，底部是5m宽，下游的扩散段是50m的水平段。在其扩散段的是压力前池，29m宽。前池由斜坡段和水平段组成，斜坡段的长度为40m，且与底部的坡比取1:8。水平段的长度为12m。其海拔位于1803.83m，压力前池的下游段连接着4根压力管道，压力管道入口接着墙式进水口。该进水口的海拔为1809.83m，其是正方形的横断面，边长为4m. 压力前池的形状如图2所示 网络图：采用结构网络，这些网络也被分为0.7-1百万级部分对应各种工作工况。 边界条件:不同的边界条件是通过不同的作业条件来确定的，当4台发电机组同时过载运行时，此时的边界条件为静水压力边界，压力管道边界作为一种速度边界，在10s内流速会从2.785m/s降到0m。当最后一台机组正常工况下运行时压力管道边界的流速会从0.8 m/s上