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泵输水管线水锤数值模拟及其防护研究
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水利水电科技进展
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大型水斗式水轮机配水环管水力性能数值模拟
徐广文&，陈创新!，朱俊昌F，郑
（&(广东电网公司电力科学研究院，广东广州
江苏东海F(江苏省东海县水务局，
G!G$$$；!&$$?&）
广东茂名G&$H$$；!(茂名市粤能电力股份有限公司，
江苏南京!!F$$$；#(河海大学水利水电工程学院，
摘要：采用商用IJK数值模拟软件对大型水斗式水轮机配水环管的水力性能进行数值模拟研究。模拟结果表明，从配水环管进口到距进口渐远的各出口的水力损失具有逐渐增大的趋势，而且从进口到各出口的平均水力损失随着流量的增大而增大。根据实际需要，对配水环管出口不同的开启组合方案进行模拟，比较后得出性能较优的组合方案，可为指导电站的高效运行提供依据。关键词：水斗式水轮机；配水环管；水力性能；数值模拟中图分类号：4LMFGNO&
文献标识码：*
文章编号：（!$$&）&$$HMH#M$#$$F$$!!!!
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IS@)I5=-.6AC2.!，TSQU=.A/5-.6F，TS@)RV=-.（&!&#$%&’(%&)(*+,-+./$%’0+.+$,123%./4/#/+，&#$%&52(#G&$H$$，624%$；!!7#+%+%&89+1/,41)(*+,(:;$(&4%&64/=，&/’，;$(&4%&G!G$$$，624%$；F!?$/+,@::$4,A#,+$#(:B(%&2$46(#%/=，B(%&2$4!!F$$$，624%$；#!6(99+&+(:?$/+,6(%.+,C$%1=$%’D=’,(E(*+,8%&4%++,4%&，D(2$4F%4C+,.4/=，G$%H4%&!&$$?&，624%$）
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水斗式水轮机适用于高水头、小流量水力条件，在地理环境特殊的西部地区应用广泛。我国水斗式水轮机的研究起步较晚。在数值计算方面，与混流式、轴流式水轮机相比，水斗式水轮机的研究才刚起
［&H］!步，主要集中在转轮斗叶和射流方面，而针对配水环管的研究不多，对配水环管的重视程度与发达
。配水环管在水斗式水轮机组国家相比远远不够
中的作用和混流式机组中的蜗壳类似，即将水流均
者采用商用IJK软件JZQ@)4对国内某大型水斗式水轮机的配水环管水力性能进行模拟研究。
;数学模型及边界条件
本文研究的流动是不涉及能量交换的单一流体
的恒定流动，所以只需要遵循质量守恒和动量守恒定律。
质量守恒方程为
I#4）KL&（&）
式中源项L&是从分散的二级相中加入到连续相的质量，也可以是任何的自定义源项。在惯性（非加速）坐标系中4方向上的动量守恒方程为
4H#4）I#4#H）KMII&4IN4!!&/&JH&J4&JH!
匀地分配给各出口。配水环管对水斗式水轮机的效率影响颇大，特别是在机组不能满负荷运行的情况下影响更大，因此研究配水环管的水力性能，并确定合理的出口开启组合方案以保证机组高效运行，是一项十分有意义的工作，可以为水斗式水轮机的优化设计提供参考。
当前，计算流体动力学（简称IJK）软件已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具，广泛应用于水利、航运、流体机械等各领域中。文中，笔
作者简介：徐广文（&?&$―），男，江苏盐城人，硕士研究生，从事水力机组过渡过程的仿真计算。@AB-2’：55=C6DE55=(0+=(/.
水利水电科技进展，（#）-+9：!$$&，!&$!G&FM&HFFG!
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式中：!为静水压力；$&和%&!&#为应力张量分量；&分别为&方向上的重力体积力和外部体积力（如离散相相互作用产生的升力）。%&包含了其他的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。应力!&#由式（!）给出：
（!）!&#&#()(*!(&#
计算中采用标准+,其中相关%双方程湍流模型，的系数为&+#$%&，.$.&.&-#$%!，%#$%’’，%#$%(&，#
一阶迎风格式、全隐式方#&%&(。采用有限体积法、
案，对湍流流场的控制方程组进行离散化处理，建立相应的离散方程，同时运用)*+,-./算法对离散方
程进行求解。本文的数值模拟计算中，进口根据已知进口流量和压力分别采用速度进口边界和压力进口边界进行模拟，壁面附近采用壁面函数进行模拟。
同时开启，&号、!号、2号和0号同时开启，$号、
等$0组工况。其中环管!号、’号和0号同时开启）流量为/3，$10号出口全部开启时还考虑了无肋板
的情况。采用上述两两组合开启和四四组合开启方
式可避免水轮机大轴产生径向不对称水推力。
&数值模拟结果与分析
配水环管进口到各个出口的水力损失由
总=-&.6?软件计算的进口和出口总压相减得出，压包括静水压力和动水压力两部分。各种工况下的水力损失计算结果见表$。为观察局部水力损失情况，分别在配水环管2个岔管的进出口截取了多个断面。
&号出口&%2&&%0$$%!&&%2(&&%!2&&&&&&%’0&&%9$$%&9&
不同工况下的水力损失
水力损失3@2:!号出口&%&!&%&’$%’$&%00&&&%’$&&&&&&%&&&$%!(&%&2
’号出口&%&&&%9&$%!&&%0$&&&&%2&&&&%29&&$%$&&$%&’
2号出口!%$(!%’!$%09$%$&&&&&&%9&&&&%9&&$%$0$%2&&
0号出口&%9’&%(2$%2$&%&&&&&&&$%&9&&$%&9&&%’’$%!!
平均值&%22&%0&$%!$&%0’&%!2&%!2&%’$&%2&&%9&$%&9&%’’&%0&&%((&%(&$%09&%($
!数值模拟对象及计算工况
数值模拟对象是冶勒电站水斗式水轮机的0个出口配水环管。配水环管属于环形结构，0个出口环向均匀分布（图$），是一个强烈弯曲和分岔的变断面输水管，其中$12号出口与环管构成2个岔管，每个岔管处装有用于分流和起加强固定作用的月牙形内加强肋板。图$是根据配水环管实际尺寸使用,345.67*6..8构造的三维实体图，基本参数为：额定流量/3#&!%0&:!5;，设计水头03#
进口直径1#$%&:，岔管侧管断面直径1&#29&:，
（无肋板）
/3&%&2/3&%2/3$20/3$20/3$20/3$20/3$20/3$20/3&20/3&20/3&20/3’20/3’20/3’20/3
$%$9&%20&%&2&%!2&&&&&&%&(&&&%2&&&%2&
注：水力损失为&表示该出口关闭。
由表$可知，从进口到0个出口的平均水力损失随着流量的增大而增大，&%2/3时的损失约为/3时的&’%’4，&%&2/3时的损失约为/3时的2&4。除了0号出口，其余出口距离进口越远其水力损失越大，当水流经过2号出口时达到最大，在/3时为
下降!%’!:。经过0号出口时水力损失反而降低，
配水环管三维图
幅度约为$’4。除去配水环管中的肋板，平均水力损失下降不大于&%&4，说明肋板的存在对配水环
管的能量性能影响不大。
管路中的水力损失一般分为沿程水力损失和局
部水力损失，其中沿程水力损失与流经管道长度
笔者采用适应性强的非结构四面体网格对几何外形复杂的配水环管进行网格划分（网格间距$&&，总网格数约!0&&&&），并模拟了环管流量分别为/3，
&%&2/3，&%2/3，$10号出口全部开启和出口流量为额定值（出口对称布置，每个出口的额定流量为环管额定流量的$20），$10号出口分别单独开启、两两组合开启（分别同时开启$号和’号、&号和2号、
、四四组合开启（$号、!号和0号）&号、’号和2号
水利水电科技进展，（’）5-6：&&&9，&9&&29!&90!!2!
成正比，而局部水力损失与管路形状密切相关，大都发生在管径急剧变化和分岔处，且比沿程水力损失显著。$号出口的损失相对较小，这是因为相对后
面的几个出口，水流在第$个分岔管（下转第!0页）
7,89&6：#:A33’;-&’;=&
3??@：22++A;33’;-&’;=&
层指标则应选择一座健康水库或建库前该区域的生态状况作为标准。健康综合指数的界限则应通过同类的健康水库或者水库健康运行状况并结合专家的经验进行综合确定。
水库健康评价涉及的范围较广，包括大坝安全评价、水库效益和水库生态评价等，需要应用概率与数理统计、模糊数学、系统科学等方面的知识。由于水库的健康评价还处于起步阶段，还有很多方面需要完善，如健康评价的方法、健康指标的选择及定量分析、健康指标资料的收集、健康标准的确定等。本文只是在这方面作一个初步探索。
分析水库健康评&#提出水库健康效应的概念，
价的意义和特征。
$#分析影响水库健康状况的因素。
介%#初步建立水库健康评价的结构指标体系，
绍各层各指标定量描述的方法，并提出水库健康综合指数的概念和计算方法。参考文献：
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［!!］许树柏&层次分析法原理：实用决策方法［’］天&天津：
津大学出版社，!KMM&
（收稿日期：$%%L!!%!!K
编辑：方宇彤）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!组合方案，比较得出性能较优的方案，为电站的高效（上接第(!页）进行分流前是均匀流，水流平稳地进入分岔管，加上没有后面出口的折管损失，所以损失要小。至于I号出口，水流在管内是紧靠外侧壁面流动，不经过类似分岔管那样形状变化剧烈的部分，而对于配水环管，主要的损失是分岔管处的损失。考虑到这些因素，尽管水流所经路程最远，从进口到这是I号出口的损失比进口到&号出口的损失小，
（单出口、双出从I个出口开启的不同组合方案
口、四出口开启）的数值模拟结果可知，当只开启均为!个出口时，!号、$号出口水力损失最小，
比水力损失最大的出口低约%SK(8；开启%S(&8，
$个出口时，!号、J号出口同时开启水力损失最小，
为%SJJ8，比最大损失的组合低约%S&&8；开启J个出口时，!号、$号、J号、&号出口同时开启水力损失最小，为%SK%8，较最大损失的组合低约%SLM8。
运行提供了重要依据。参考文献：
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（!!）：定常流动［G］&华中科技大学学报，$%%%，$M!J!I&!
［(］韦彩新，韩凤琴，许萍，等&冲击式水轮机射流干涉研究
（J）：［G］&华中科技大学学报，$%%!，$KM$MJ&!
［J］韩凤琴，久保田乔&冲击式水轮机性能换算的新理论提
［G］（(）：案：&华中理工大学学报，$%%%，$M!%&!%L&&!
［&］韩凤琴，刘洁&冲击式水轮机性能换算的新理论提案：#
［G］（!!）：&华中理工大学学报，$%%%，$M!!!(&!［I］许萍，韦彩新&水斗数对转轮性能影响的实验研究［G］&
华中科技大学学报，（(）：$%%(，(!MKK!&!［L］埃杰尔&水斗式水轮机［’］译&北京：机械工业&黄益生，
出版社，!KK%&［M］张胜兰，赵景山，付勇智&RC&T*2U+2**4O5DB?5C&（野火
清华大学出版社，版）实用培训教程［’］&北京：$%%J&
［K］孙江宏，段大高&RC&T*2U+2**4B$%%%5高级功能应用及
二次开发［’］清华大学出版社，&北京：$%%$&［!%］潘家铮&压力钢管［’］电力工业出版社，&北京：!KM$&［!!］李家星，赵振兴&水力学［’］河海大学出版社，&南京：$%%!&［!$］韩正忠，王敬，兰小平&V/-*23流体工程仿真计算实例
北京理工大学出版社，与应用［’］&北京：$%%&&
（收稿日期：$%%L!%&!(!
$%&’(#：)*W++,-&.,-/0
+112：33445-++,-&.,-/0
编辑：骆超）
通过对水斗式水轮机配水环管从进口到I个出
口全流道的三维定常湍流的数值模拟计算，得出配
水环管的水力损失与流量之间的关系：从进口到I个出口的平均水力损失随着流量的增大而增大。同时也验证了水力损失与管路长度和形状之间的相互关系。根据现场实际情况，模拟出口的不同开启?(I?
水利水电科技进展，（J）!&#：$%%M，$M%$&M(LMI((&!百度文库-信息提示
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