用三维流体力学计算方法计算抽水蓄能电站阻抗式调压室阻抗损失系数.pdfVIP

用三维流体力学计算方法计算 抽水蓄能电站阻抗式调压室阻抗损失系数 胡明华富刚 (河海大学水利水电工程学院) 摘要：本文运用CFD(计算流体力学)方法，计算了抽水蓄能电站具有长连接管的阻抗式调压室的阻抗损失系数。 整个计算运用CFD软件FLUENT进行，计算时选用标准k一￡湍流模型，离散格式采用一阶迎风格式，计 算方法采用SIMPLE算法．并将计算结果与水力模型试验结果进行了比较，发现采用CFD方法计算得到的 结果不管在变化规律还是数值上均可达到与模型试验结果相当的精度。这表明，CFD方法可以应用于调压 室的设计与优化中。 关键词：计算流体力学调压室阻抗损失系数流量比分流与合流 1前言 具有有压长尾水道的抽水蓄能电站，由于尾水道较长，为了保持尾水系统运行的稳定性，需要 在尾水隧洞上设置调压室。调压室水力设计主要以水力过渡过程计算结果为依据。在调压室水力过 渡过程研究中，目前已经广泛采用计算机编程进行数值计算，各种复杂的调压室均可以通过数值仿 真计算加以考虑。在阻抗式调压室水力过渡过程计算中，阻抗损失系数的确定很关键，因为它对涌 浪的幅值和衰减速度、系统的稳定性以及水锤反射率都有影响。因此，为了得到可靠的计算结果， 必须获得准确的调压室阻抗损失系数。 传统的计算调压室水头损失的方法主要有两种：一是进行调压室局部水工模型试验；另一种就 是通过查阅有关规范和手册，并结合计算者的经验取值。但这两种方法各有缺点。前者研究周期长、 代价大；后者由于一般水力计算手册只给出最典型的单一的几何流道的局部水头损失系数，而调压 室是由若干不同形状的几何流道组合或结合而成，其总的水力挣眭一般不能简单由单一流道的水力 特性叠加得到。另外，过渡过程中不同流动状态对应于不同的阻抗损失，而查手册或凭经验往往只 能取某个固定值。 随着计算流体力学(CFD)和计算机的快速发展，CFD方法已经成为水力系统优化设计的重要 手段。但目前利用计算流体力学技术对调压室进行数值模拟并计算调压室阻抗损失系数的研究还不 多。 2研究对象及其流态 本文利用计算流体力学方法对某抽水蓄能电站尾水调压室进行数值模拟并计算其阻抗损失系 数。同时与该调压室局部模型试验结果进行比较，拟验证用计算流体力学方法计算调压室阻抗损失 系数的可靠性。文献对该模型调压室的阻抗系数按每种方案以及相应的各种工况做了试验，并给出 了拟合的经验公式。本文仅对其中的一种方案(连接管直径D=4．3m)进行计算，并与其模型试验 结果进行比较，来验证CFI)方法的可靠性。为了便于叙述，按水流方向将调压室中的流态分为种： 一种是两股水流汇合成一股水流，简称合流；另一种是一股水流分成两股水流，简称分流。正如文 献所述，针对同一连接管直径方案，分别在抽水和发电工况下，由于流态对称和流道相同，同一流 量比对应的各断面间的阻抗损失系数在数量上相等。因此，本文对分流和合流各研究两种流态，具 体如图1、2所示： 里理羁埋 (a)流态l (b)流态2 (c)流态3 (d)流态4 图1分流情况下的两种流态 圈2合流情况下的两种流态 3计算方法及控制方程 3．1计算方法 本文应用cFD软件FLI『ENT，采用有限体积法离散恒定的不可压缩N—s方程，离散格式采用一 阶迎风格式，若精度要求较高，可以采用二阶迎风格式。压力速度耦合采用求解压力耦合方程组得 半隐式方法SIMPLE算法，湍流模型采用标准三维k一￡湍流模型。另外，所有方程都有与之相关的 欠松弛因子，在迭代计算过程中，为了使迭代尽快稳定收敛，通过修改欠松弛因子来加快收敛速度。 3．2基本控制方程 (1)连续性方程 当：0 (3-1)． 疆． (2)动量方程(Reynolds时均N—S方程) 警心可bUt=弓薏+毒卜可3Ui一面】+吉巧 c，之， (3)k方程 O新k+u酉Ok=毒n封剖徭e 悟，， (4)s方程