基于FLUENT的水电站压力前池尺寸研究

王坤雷，陈玉妍，谢松桦

(四川省清源工程咨询有限公司，成都，610072)

基于FLUENT的水电站压力前池尺寸研究

王坤雷，陈玉妍，谢松桦

(四川省清源工程咨询有限公司，成都，610072)

压力前池是水电站中常见的平水建筑物，用于连接无压引水系统中的引水道和压力管道。合理的前池尺寸可以改善前池内的水流流态，减小前池内的漩涡，利于池内泥沙沉降，从而降低泥沙对水轮机的磨损。本文以FLUENT为平台，分析同一前池体积下使池内水流流态较好的前池尺寸。

压力前池 FLUENT 水流流态

1 概述

压力前池是水电站中常见的平水建筑物，用于连接无压引水系统中的引水道和压力管道。其作用包括满足压力管道有压进水口的要求，稳定水流，沉降池内泥沙及清除池中漂浮物等。合理的前池尺寸，可以改善池内的水流流态，减小池内的漩涡，利于池内泥沙沉降，从而降低泥沙对水轮机的磨损。规范中指出，前池尺寸设计主要取决于布置需要和改善水流状态，但并未提出池身尺寸的具体要求。前池内水流流态的好坏，影响到电站的正常、安全运行，而前池的尺寸直接影响着池内的水流流态，所以合适的前池尺寸对前池设计是很有必要的。本文对某电站前池进行数值模拟，分析同样工况和体积下前池长度、宽度、深度的匹配关系，以保证较好的前池内水流流态。

2 数值模拟

2.1 控制方程

k方程：

2.2 网格划分

采用FLUENT的前处理软件GAMBIT制作三维控制体积网格，对实体剖分网格过程中采取分块剖分，局部加密技术。普通区域采用结构化网格，复杂区域则采用非结构化网格。各种方案的计算网格规模在3万～4万之间。

2.3 边界条件

2.3.1 进口边界条件。模拟范围包括整个前池及部分引水渠和压力管道，根据电站的设计流量和引水渠的断面尺寸，可算得引水渠的断面平均流速，因此进口边界条件选用速度进口边界条件。

2.3.2 出口边界条件。采用压力出口作为出口边界条件。

2.3.3 自由液面。在处理自由液面时，设置x,y,z方向上的应力为零，粗糙度为零。

2.3.4 壁面条件。采用无滑移的固壁边界，壁面材料选用混凝土，粗糙度取0.015。

3 计算工况

某电站引用流量8.2m3/s，前池上游接引水明渠，明渠宽3m，渠道总长2700m，坡降为1/1500。压力前池总体布置由渐变段、前池、进水口等部分组成，渐变段(中心线)长14m，底坡i=0.2，前池边墙高程为1179.21m，前池底板高程为1172.00m。进水口段长13.8m，依次设拦污栅、工作闸门、通气孔。进水口底高程1173.20m，工作闸门1孔1.8×1.8m，采用单管双机供水型式，用2.5m渐变段与压力钢管连接，压力钢管管径为1.5m。为了研究在相同前池连接段且前池容积相同前提条件下，不同池身长宽比的结构尺寸对前池内的水流流态的影响，分别列出不同池身长宽比的方案对比，在对不同模型同一横断面上的流速不均匀系数、紊动强度、紊动能分布进行分析比较后，在前池容积一定的前提下找出水流流态随长宽比的变化规律，从而选出水流流态较好的前池结构尺寸。方案列表如表1所示。

表1

不同池身长宽比方案尺寸

4 计算结果及分析

4.1 流速不均匀系数分析

以断面上散点流速的均方差定义为不均匀系数β：

(1)

通过Tecplot软件提取前池断面上散点的流速值，由式(1)算得不同长宽比模型x=24m横断面的流速不均匀系数如图1所示。

图1 不同长宽比模型x=28m横断面流速不均匀系数

由图1，随着长宽比的不断增加，x=28m横断面的流速不均匀系数均有变小的趋势，到L/B=6时，流速不均匀系数达到最小，随着长宽比的继续增加，流速不均匀系数反而增大。

4.2 紊动强度分析

就表1中不同长宽比的前池模型取x=24m断面，其紊动强度分布如图2所示。

图a 长宽比L/h=3

图b 长宽比L/h=4

图c 长宽比L/h=5

图d 长宽比L/h=6

图e 长宽比L/h=7

由图2可见，沿池身长度方向紊动强度均呈现减小的趋势。L/B=6、7模型x=24m断面，水流中心处紊动强度值最小，且水面平稳。

5 结论

用fluent软件对相同容积、相同前池连接段，不同池身长宽比的前池内的水流进行数值模拟，然后进行数据后处理，分析9个典型横断面的流速分布、紊动强度分布，并计算出各断面的流速不均匀系数。随着长宽比L/B值的不断增加，各横断面的流速不均匀系数均有变小的趋势，到L/B=6时，流速不均匀系数达到最小，随着长宽比的继续增加，流速不均匀系数反而增大；沿池身长度方向紊动强度均呈现减小的趋势。L/B=6、7模型，紊动强度较快达到稳定值，且其紊动强度较小。

〔1〕刘启钊.水电站[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

〔2〕马善定，汪如泽．水电站建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

〔3〕王瑞金，张 凯，土 刚.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社，2007.

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