探究电站库盆流态混交模型模拟

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1模型建立

根据电站上库正常水位值，并考虑适当水位加高，上库地形制作高程为530m．模型按弗汝德数重力相似准则设计，并考虑阻力相似．另外考虑到试验成果精度、试验场地和材料等，选定模型长度比尺为50，采用整体正态模型，上库模型库盆截取范围为整个库盆面积．在抽水蓄能电站上库进出水口拦污栅槽处布置测流断面，每个通道(面向库盆通道号由右至左排列)分左、中、右3条测流垂线，每条垂线划分为7个水层测点，根据测量结果计算出各个通道的平均流速和流量分配，由于库水位的变化对通道平均流速和流量分配影响较小，取3个特征水位(死水位、1/2工作水位和正常蓄水位)条件下的平均值作为数学模型的计算条件，并假定其不随库水位的变化而变化．在抽水蓄能电站库盆水流中，水平尺度一般远大于垂向尺度，水力参数(如流速)沿垂直方向的变化常采用其垂向平均值，并假定沿水深方向的动水压强服从静水压强分布．将三维流动的控制方程沿水深积分平均，即可得到沿水深平均的平面二维水流运动的基本方程，平面二维水流基本方程包括水流连续方程和水流运动方程．二维水流基本方程空间离散时用有限体积方法，时间离散用蛙跳方法．水流边界条件为抽水蓄能电站进出水口进流和出流各通道流量分配，外边界为抽水蓄能电站水库主、副坝和库岸．外边界的处理方法是令闭边界的法向流速为0，而沿切线方向的流速为非0值．采用“冻结法”处理干湿边界，根据计算水位和库底高程判断网格单元是否露出水面，即定义临界水深为0．005～0．01m，当水深大于临界水深时，糙率取正常值，反之糙率取一大值(1010量级)．具体计算方法参考文献．计算区域采用矩形网格，网格大小为5m×5m，x方向网格总数为176个，y方向网格总数为159个．

2模型验证

由于库盆内没有实测进流和出流资料，本文参照相关教材［13］，采用糙率值如下:树林0．070，旱地0.065，水田0．050，水面0．025．如果某网格内含有多种地形，则按照各种地形糙率的加权平均值确定该网格的糙率．此外，经验表明，糙率随水深增加而减小，并趋于稳定，据此规律确定抽水和发电工况计算中网格的糙率．图1引水渠测流断面布置示意图在引水渠内3个断面布置测流断面，桩号为0-156.685、0-198.573和0-248.573，如图1所示，每个测点分别测量了其表面及底部的流速值，两个值取平均作为该点的平均流速．利用实测发电工况引水渠流两个特征水位(死水位和1/2工作水位)对应的流速数据对建立的混交模型进行验证．为发电工况运行下引水渠流速分布试验值和模型计算结果的比较，3计算工况库盆流态主要取决于库盆环流和水流强度，抽水蓄能电站上在各种工况运行时，在库盆内会出现环流区．因此对于抽水蓄能电站上库，本文模拟了抽水工况和发电工况运行条件下3个特征水位的库盆流态．近集中进入通道，因此靠近进水口附近的断面(如0-156.685断面)流速普遍较大，模型计算结果与试验结果也基本保持一致，所建立的混交模型能够合理的反映出库盆水流运动规律．

3计算结果与分析

为抽水蓄能上库在抽水工况运行下3个特征水位对应的库盆流态，在库水位较低时(死水位)，水流出流后主要沿着引水渠流动，在遇到库盆中间山包后水流一分为二，引水渠偏左(面向库盆)的一股水流形成一逆时针方向的环流区，环流流速在0．30m/s左右;引水渠偏右(面向库盆)的另一股水流在山包两侧形成两个顺时针方向的小环流区，环流流速在0．25m/s左右．随着库水位的升高(1/2工作水位)，水流漫过大部分区域，水流流向不再受引水渠的影响，整个库盆围绕着库盆中间的山包形成一个较大的顺时针方向的环流区，环流流速在0．10m/s左右．随着库水位的继续升高(正常蓄水位)，库盆中间的山包被淹没，顺时针方向较大的环流区逐渐消失，在引水渠两侧出现方向相反的两个环流区，环流流速为0．05m/s左右．从图4可以看出，随着库水位的升高，库盆内水流流速逐渐减小．为抽水蓄能上库在发电工况运行下3个特征水位对应的库盆流态，在库水位较高时(正常蓄水位)，整个库盆水面较平静，无明显环流出现，只有在进水口附近才会看到水流集中流入进出水口，库盆水流流速小于0．5m/s．随着库水位的降低(1/2工作水位)，库盆水面面积减小，除进水口外，其他区域没有明显的水流流动，引水渠右侧(面向库盆)坡体地势较高，水流从坡体两侧进入到进水口前池，整个库盆水流流速小于1．0m/s．随着库水位的继续降低(死水位)，库盆中间的山包逐渐露出水面，水流从山包两侧汇集进入。

4结束语

采用发电工况试验数据对建立的混交模型进行验证，靠近进水口附近的断面流速普遍较大，模型计算结果与试验结果也基本一致．建立的混交模型能够合理地反映出库盆水流运动规律．应用建立的混交模型模拟抽水蓄能电站上库抽水工况和发电工况运行下死水位、1/2工作水位和正常蓄水位对应的库盆流态．针对抽水蓄能电站库盆流态数值模拟问题，建立了模拟库盆流态的混交模型，库盆流态采用直角二维数学模型进行计算，进出水口模型试验结果为数学模型提供计算条件．在抽水工况运行下受地形影响库盆和进出水口附近会产生环流区，两种工况下库盆水流流速与库水位成反比关系，库盆流态比较合理．

作者：张强王寅单位：南昌工程学院