水庫水溫分層對浮式取水口前流速分布的影響.docx

1、水庫水溫分層對浮式取水口前流速分布的影響高學(xué)平，劉俊，孫博聞，宋清林(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)摘要：由于目前缺乏對浮式取水口前流場變化規(guī)律的研究，以分析水庫水溫分層對取水口前各斷面流速分布影響為目標(biāo)，依據(jù)某水庫水溫資料，采用k-e紊流模型對浮式取水口前流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，針對水庫水溫均一和水溫分層的兩種情況，研究取水口前流速分布，分析水庫水溫分層對取水口前各斷面流速分布的影響。研究結(jié)果表明，在浮式取水口附近，水溫均一和水溫分層的流速分布存在著差異，這種差距隨著取水流量和淹沒深度的增大而減小。研究成果可為浮式管型取水設(shè)施的應(yīng)用和運行提供技術(shù)支持，為取水水溫預(yù)

2、測提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：環(huán)境水力學(xué)；浮式取水口；三維數(shù)值模擬；流速分布；水溫分層；水庫doi：10.13928/ki.wrahe.2017.09.020中圖分類號：X143文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0860(2017)09-0132-07EffectfromreservoirwatertemperaturestratificationonvelocitydistributioninfrontoffloatingwaterintakeGAOXueping,LIUJun,SUNBowen,SONGQinglin(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineerin

3、gSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Duetolackofstudiesmadeonthechanginglawoftheflowfieldinfrontoffloatingwaterintakeatpresent,a3-Dnumericalsimulationismadeontheflowfieldthereinwiththek-eturbulencemodelinaccordancewiththewatertemperaturedataofareservoirbytakinganalyzin

4、gtheeffectfromthereservoirwatertemperaturestratificationontheflowvelocitydistributionsinallthecross-sectionsinfrontoffloatingwaterintake,fromwhichtheflowvelocitydistributioninfrontofthewaterintakeisstudiedforboththeconditionsoftheuniformwatertemperatureandthewatertemperatureslratiGcation,andthenthee

5、ffectfromthereservoirwatertemperaturestratiGcationontheflowvelocitydistributionsinallthecross-sectionsinfrontofthefloatingwaterintakeisanalyzed.Thestudyshowsthatthefiowvelocitydistributionsundertheconditionsofboththeuniformwatertemperatureandthewatertemperaturestratificationaredifferentnearthefloati

6、ngwaterintakeandthedifferenceisdecreasedalongwiththeincreasesofwaterintakingflowrateandsubmergeddepth.Thestudyresultcannotonlyprovideatechnicalsupportforthefloatingtubularwaterintakefacility,butalsocanlayatheoreticalbasisforthepredictionofthewatertemperatureforwaterintake.Keywords:environmentalhydra

7、ulics;floatingwaterintake；3-Dnumericalsimulation；flowvelocitydistribution；watertemperaturestratification；reservoir收稿日期：2016-12-27基金項目：國家自然科學(xué)基金(51279125);國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(51321065)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃(15JCYBJC22600)作者簡介：高學(xué)平(1962-),男，教授，博士，研究方向為工程水力學(xué)。E-mail；xpgao1.1控制方程連續(xù)性方程a輸n說=。(1)運動方程du,du,+U.:dt)dx

8、)po邊a功a%(2)k為程dkdk-+u；=dtJdx-喘(T)劇(3)，方程x蕓詢導(dǎo)斜(+泛騰l+G，W(G+CS)-雋dT(5)0引言水庫建成蓄水后，因水深較深，在太陽輻射作用下在垂向逐漸形成穩(wěn)定的水溫分層結(jié)構(gòu)，底層水體溫度低于表層，溫差有時甚至可達(dá)20r,:o長期從水庫取用低溫水對農(nóng)業(yè)灌溉和下游生態(tài)系統(tǒng)造成的危害已經(jīng)受到專家學(xué)者們的關(guān)注為改善長期取用低溫水的困境，許多水庫修建或改建了不同類型的分層取水設(shè)施，常用的分層取水措施有疊梁門、多層取水口、浮式取水口等。其中，浮式取水口多用于低水頭和小流批的小型水庫，取水口在浮子的作用下浮于水庫上半部分，結(jié)構(gòu)簡單，運行管理方便。圖1為某工程的浮式

9、取水口布置。關(guān)于各類型取水設(shè)施的取水溫度研究目前已取得了一些成果。在水溫分布方面，鄧云建立了立面二維模型，并將其應(yīng)用于大型深水庫水溫分布的預(yù)測。張士杰等分析了上游來水水溫和大壩出水位置對壩前庫區(qū)水溫結(jié)構(gòu)的影響。任華堂等分析了不同取水口高程對庫首水體水溫垂向結(jié)構(gòu)的影響。在取水水溫方面，高學(xué)平等對浮式取水口分層取水下泄水溫進(jìn)行了試驗研究，對水庫水溫分布、取水口淹沒深度和取水流量與浮式管型取水口下泄水溫關(guān)系進(jìn)行了研究。鄭鐵剛等：以豐滿水電站為研究對象，分析了下泄水溫隨取水商程的變化規(guī)律。高學(xué)平等通過物理模型對比了不同類型取水口下泄水溫規(guī)律。練繼建等“°:通過數(shù)值模擬研究了影響控制幕下泄水溫

10、的原因，并提出了控制幕下泄水溫公式。在取水口前流速方面，陳弘等皿】利用數(shù)值模擬方法研究了水溫分層對疊梁門分層取水前流速分布的影響。李廣寧利用數(shù)值模擬方法研究了不同水溫分布下多層取水口前的流速分布規(guī)律。HISHIDA等3】將PIV和PLIF技術(shù)對溫度分層流同一時刻的流場和溫度場進(jìn)行研究。SHAMMAA等"婦利用PIV和LIF研究了二層流控制幕前溫度交界面高程和流場隨時間的發(fā)展和演變過程。本文以浮式取水口為研究對象，針對庫區(qū)水體水溫均一分布和水溫分層分布的兩種情況，利用數(shù)值模擬方法研究取水口前流速分布情況，分析水溫分層對取水口前各斷面流速分布的影響。1數(shù)學(xué)模型能量方程買+%.絲=當(dāng)事-京

11、dt'gdxTdxt,狀態(tài)方程p=(1.02027692x10'3+6.77737262xlOT-9.05345843xIO"尸+8.64372185x10項儼-6.42266188xl。-”尸+1.05164434x10*尸-1.04868827xlO_297*)x9.8xlO5(6)式中，-礪=邊(告+劇-爭為脈動流速；k=頁/2為單位質(zhì)量紊流動能；6«(巖+膘)告剪切產(chǎn)生項；Gb=%旱葺為浮力生成項；Dq/pCp為熱擴(kuò)散系數(shù)；3=4改為紊流運動粘性系數(shù)；£為e紊流動能耗散率；4、C”、叫和七均為模型通用常數(shù)，分別取為0.09、1.44、4.9

12、2、1.00和1.30。采用B0USS1NESQ假定，只在帝力項中考慮密度變化的影響。密度變化可表示為溫度變化的線性函數(shù).其中，。=一；（務(wù)），為熱膨脹系數(shù)；P.為參考密度M=（籍），=-阻1.2模型建立壩前540m處為浮式取水口模型入流邊界，保持水位恒定，垂向水溫分布選取該水庫典型平水年表底溫差較大月份的水溫實測值；浮式取水口管道水平段30m為出流邊界，流速按照管道平均流速給出；固壁邊界采用無滑移條件；表面采用VOF自由液面，庫內(nèi)初始水溫為壩前水溫實測值，如圖4所示。某典型溫度分層型水庫壩商30m,正常水深22m,對應(yīng)庫容為514萬詼水庫采用浮式管型取水口,管徑0.9mo對該浮式取水口建立三

13、維數(shù)學(xué)模型,水流方向模擬范圍為壩前上游540m庫區(qū)至水電站進(jìn)水口，垂向模擬范圍為能夠充分表現(xiàn)水溫分布特征的自由水面至淹沒深度為13.5m的區(qū)域，為了使研究成果具有較好的普適性，減少水庫地形對浮式取水口附近流速分布的影響，選取壩前540mx18mx13.5m長方體水體進(jìn)行計算，計算區(qū)域如圖ESI*圖4水庫水溫分布0水溫/c13182328£一X圖2潭式取水口計算區(qū)域示意該計算區(qū)域為方形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在浮式取水口管口附近和取水管道進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，加密部分網(wǎng)格的尺寸為0.12mxO.12mxO.12mo為了優(yōu)化網(wǎng)格數(shù)量:和增強(qiáng)計算穩(wěn)定性，對浮式取水口的彎管部分進(jìn)行處理。浮式取水口計算區(qū)域網(wǎng)

14、格劃分如圖3所示。1.3模型驗證對三維數(shù)學(xué)模型，計算水溫均一時取水流量1.38m'/s,淹沒深度5.4m工況，選取浮式取水口前1.8m處流速分布并與試驗值進(jìn)行對比，計算值與試驗值吻合較好，如圖5所示。對于水庫典型平水年的水溫分布，計算取水流址2.40mVs,淹沒深度分別為2.7m和5.4m工況時的下泄水溫與文獻(xiàn)6的室內(nèi)試驗實測值進(jìn)行對比，其結(jié)果如表1所列。對比結(jié)果表明，數(shù)值模擬下泄水溫和實測下泄水溫結(jié)果吻合較好,相對誤差均小于5%,說明該浮式取水口數(shù)學(xué)模型合理。圖3浮式取水口計算區(qū)域網(wǎng)格劃分?jǐn)嗝鍹M/m-s40040.080.12圖5試巍值計算偷取水口高程取水口前1.8m流速分布距取水

15、口距離/m水溫均一分布水溫分層分布最大值/ms-1最小值/ms"1平均值/ms-1不均勻系數(shù)嫩大值/m8_,最小值/m平均值/m不均勻系數(shù)1.80.1020.0070.0234.3350.0950.0000.0175.6635.40.0270.0170.0221.2310.0470.0110.0212.2749.00.0240.0190.0211.1190.0430.0100.0202.14312.60.0230.0210.0221.0490.0370.0100.0J82.026表2流速特征值（淹沒深度2.7m）表1下泄水溫實測值與數(shù)值模擬計算值對比淹沒深度/m實測下泄水溫/T模擬下

16、泄水溫/Y相對誤差/%2.723.0922.970.525.417.7618.061.692計算結(jié)果分析2.1計算工況針對浮式取水口，分別研究水庫水溫均一和水溫分層時取水口附近流速分布。在庫水位及水庫水溫分布一定條件下，分別對取水流量:一定、不同淹沒深度工況和淹沒深度一定、不同取水流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬。水庫水溫均一情況是指水溫沿水深不變，水庫水溫分層情況按某水庫5月份水溫分布（見圖4）。具體計算工況：取水流量1.38m'/s一定，淹沒深度分別為2.7m、5.4m和9.0m；淹沒深度5.4m一定，取水流量分別為0.89m"1.38m/s和2.34m3/s,各工況均包括水溫均一和

17、水溫分層兩種情況。對于水溫均一和溫度分層的各工況，以浮式取水口中心前1.8m、5.4m、7.2m和12.6m為研究斷面，提取各斷面的流速分布，各研究斷面的位置如圖6所示。2.2水溫均一和水溫分層時取水口前流速分布以取水流量1.38m/s、淹沒深度2.7m工況的計算結(jié)果為例，選取距浮式取水口中心1.8m、5.4m、9.0m和12.6m的斷面流速分布進(jìn)行比較，各斷面流速分布如圖7所示，流速特征值如表2所列。水庫水溫均一時，取水口前各斷面最大流速為0.023-0.102m/s,平均值為0.0210.023m/s,流速不均勾系數(shù)（最大流速與平均流速之比）為1-0494.335。各斷面流速分布主要受牽引

18、力作用，當(dāng)研究斷面到浮式取水口中心距離增加時，牽引力作用影響逐漸減弱，流速最大值和流速不均勻系數(shù)逐漸減小,主流逐漸發(fā)散至整個豎直斷面，斷面流速逐漸趨向均勻，未能形成較為明顯的主流。水庫水溫分層時，取水口各過流斷面最大流速為0.037-0.095m/s,平均值為0.017-0.021m/s,流速不均勻系數(shù)為2.0265.663。各斷面流速分布受取水牽引力和浮力共同作用。根據(jù)BOUSSINESQ假定，由于整個計算區(qū)域中都存在著溫度分層形成的密度分層,浮力作用于整個計算區(qū)域。由斷面流速分布圖7可以看出，距離浮式取水口較近的斷面受取水牽引力作用影響較大，流速分布不均，與水溫均一時情況相似,隨著遠(yuǎn)離浮式

19、取水口距離的增加，牽引力作用影響逐漸減弱，浮力作用相對增強(qiáng)至占據(jù)主導(dǎo)作用，庫區(qū)水體的垂向運動被抑制，取水口附近主流在浮力的作用下被約束至取水口上部，形成靠近水體表面的主流和穩(wěn)定的流場，隨著遠(yuǎn)離浮式取水口距離的增加，庫區(qū)水體所受取水牽引力作用逐漸減小，流速不均勻系數(shù)亦逐漸減小，直至只受浮力作用影響而趨向穩(wěn)定。2.3不同淹沒深度時取水口前流速分布針對水庫水溫均一和水溫分層情況，研究了取水流量1.38m7s不變、淹沒深度變化（分別為2.7m、5.4m和7.2m）工況的取水口附近流速分布變化。水溫均一和溫度分層時，取水口前1.8m、5.4m、9.0m和12.6m流速分布如圖7圖9所示，流速不均勻系數(shù)如

20、表3所列。取水流量1.38m7s,淹沒水深分別為2.7m、5.4m和7.2m時的下泄水溫分別為22.38Y、15.40Y和12.05P。取水流量在1.38m3/s時，取水口附近斷面水溫均一和溫度分層的不均勻系數(shù)的差值，淹沒深度2.7m時為0.9771.328,淹沒深度5.4m時為0.5521.217,淹沒7.2m時為0.367-0.653o在取水牽引力和浮力斷面iO/m-s'1o246802n斷面流速/ms，浮式取水口前斷面流速分布（淹沒深度2.口/5.4m1溫魔均一一-水溫分層-取水口高程斷面流速/mb0.040.080.12(c)7m取水流1.38mvs)斷面流速/ms，00.04

21、0.080.12268029.0m(b)溫度均一-水溫分層-取水口高程斷面流速/ms'00.040.080.12斷面流速/ms"00.040.080.12浮式取水口前斷面流速分布（淹沒深度5.4m取水流*1.38m3/s）斷面流速/ms，81012斷面流速/m-s'浮式取水口前斷面流速分布（淹沒深度7.2m取水流1.38mvs)O2468021I斷面流速/ms"00.040.080.12溫度均一一一水溫分層-一取水口尚程（d）斷面旅速/ms共同作用下，庫區(qū)水體的垂向流速被抑制。淹沒深度增大時，浮式取水口上的有效取水?dāng)嗝嬖龃?，主流發(fā)距取水口距離/m=2.7mH

22、=5.4m/=7.2m均溫5月Ag均溫5月均溫5月&1.84.3355.6631.3284.2205.4371.2174.0354.6880.6535.41.2312.2741.0431.1521.8390.6871.1341.6350.5019.01.1192.1431.0241.0971.7070.610L1261.4730.34812.61.0492.0260.9771.0671.6200.5521.1041.4710.367表3取水口不同淹沒深度不均勻系數(shù)散，斷面流速分布更加均勻，基本關(guān)于取水高程處的軸上下對稱。同時,斷面流速最大值減小，各斷面不均勻系數(shù)隨著淹沒深度的增大逐漸減

23、小，隨著到浮式取水口中心距離的增加逐漸增大，水溫均一與水溫分層的斷面流速差變小直至趨于穩(wěn)定。隨著距取水口距離/mQ=1.38m3/s。=2.34m3/sQ=3.16m3/s均溫5月均溫5月&均溫5月1.84.2205.4371.2174.1394.7110.5724.1034.4920.3895.4I.1521.8390.6871.1441.6360.4931.0491.3210.2729.01.0971.7070.6101.0871.4170.3301.0681.2540.18612.61.0671.6200.5521.0651.2780.2141.0511.2260.175表4取水

24、流不同的流速不均勻系數(shù)淹沒深度的增大，水溫均一與水溫分層的不均勻系數(shù)差值逐漸減小，兩者的斷面流速分布差距越小。2.4不同取水流時取水口前流速分布針對水庫水溫均一情況和水溫分層情況，研究了取水口淹沒深度5.4m斷面流速/ms*'斷面流速/ms-*不變、取水流量變化（分別為1.38m7s.2.34m7s和3.16mVs）.T況的取水口附近流速分布。在水溫均一和溫度分層時，取水口前1.8m、5.4m、9.0m和12.6m處流速分布分別如圖8、圖10和圖11所示，流速不均勻系數(shù)如表4所列。淹沒深度5.4m,取水流量分別為1.38m'/s、2.34m3/s和3.16m3/s時的下泄水溫分

25、別為15.19P、16.20X：和16.98勾。取水口淹沒深度為5.4m時，取水口附近斷面水溫均一和溫度分層的不均勻系數(shù)的差值，取水流量1.38n?/s時為0.5521.217,取水流量2.34m3/s時為0.2140.572,取水流量3.16m3/s時為0.1750.389。在取水牽引力和浮力共同作用下，庫區(qū)水體的垂斷面波速/ms斷面流速/m-s-*向流速被抑制。當(dāng)取水流量較小時，取水范圍較小,集中在取水口高程的主流附近。取水流量增大時，取水牽引力的作用增強(qiáng)，“新增水體”的取水區(qū)域主要集中在靠近自由水面的上部水體。取水流量增大時,取水牽引力的作用增強(qiáng)，取水范圍增大，斷面平均流速增大，斷面最大

26、流速也增加，但斷面最大流速增加的速度小于斷面平均流速，流速不均勻系數(shù)（最大流速與平均流速之比）減小。各斷面不均勻系數(shù)隨著取水流量的增大逐漸減小，隨著到浮式取水口中心距離的增加逐漸減小直至穩(wěn)定。3結(jié)論（1）水庫水溫均一分布時，隨著到浮式取水口中圖10浮式取水口前斷面流速分布（淹沒深度5.4m取水流2.34m3/s）斷面流速/mL圖11斷面流速斷面流速/ms*斷面流速/ms”（下轉(zhuǎn)第142頁）浮式取水口前斷面流速分布（淹沒深度5.4E取水流*3.16m3/s）裴迎舉，等多工況下不同葉片包角的斜流泵水力特性研究佳值。(2) 非設(shè)計工況下內(nèi)部流動的穩(wěn)定程度差異造成綜合水力特性表現(xiàn)與設(shè)計工況呈現(xiàn)偏差。泵

27、的水力特性是整個系統(tǒng)的綜合因子共同作用的結(jié)果，在進(jìn)行設(shè)計和驗證過程需綜合考慮影響因子的系統(tǒng)化作用。參考文獻(xiàn)：1 張人會，郭榮.楊軍虎，等.基于CFD的空間導(dǎo)葉內(nèi)部流場分析及優(yōu)化設(shè)計JJ.排灌機(jī)械工程學(xué)報，2015,33(9)：762-767.2 張翔，王洋，徐小敏，等.葉片包角對離心泵性能的影響J).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，20)0,41(11)：38-42.3 KIMJH,AHNHJ,KIMKY.High-efficiencydesignofamixed-flowpumpJ.ScienceChinatechnologicalsciences,2010,53(1):24-27.【4楊孫圣，孔繁余，陳斌.

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29、片包角提高水菜效率J.節(jié)能.2005.32(12)：35-37.10 物軍虎，蔣云國，張人會，等.確定離心泵葉片包角的新方法J.蘭州理T.大學(xué)學(xué)報，2010,36(4):48-51.H曹衛(wèi)東.李躍，張曉娣.低比轉(zhuǎn)速污水泵葉片包角對水力性能的影響J.排海機(jī)械，2009,27(6)：363-366.12潺書亭，宋文武，符杰.等.葉片包角對低比轉(zhuǎn)速離心系性能的影響以.水泵技術(shù)，2015(5)：13-16.13 王勇，劉厚林，袁壽其.等.不同葉片包角離心泵空化振動和噪聲特性JJ.排灌機(jī)械工程學(xué)報，2013,31(5):390-393.(14 黃茜，袁壽其，張金戚，等.葉片包角對高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵性能的影響

30、J.排灌機(jī)械工程學(xué)報,2016,34(9)：742-747.15】代翠，孔繁余，蜓亮,等.葉片包角對泵作透平水力徑向力的影響J.振動與沖擊，2015,34(18)：69-72.(責(zé)任編輯郭利娜)(上接第137頁)心距離的增加，牽引力作用影響逐漸減弱，流速最大值和流速不均勻系數(shù)逐漸減小，斷面流速趨向均勻。水庫水溫分層時，在靠近浮式取水口斷面，取水牽引力占主導(dǎo)作用，浮力作用較弱，隨著遠(yuǎn)離浮式取水口距離的增加，庫區(qū)水體所受取水牽引力作用逐漸減小，流速不均勻系數(shù)亦逐漸減小，直至只受浮力作用影響而趨向穩(wěn)定。(2) 淹沒深度增大時，取水牽引力基本不變，有效過流斷面增大，主流發(fā)散，不均勻系數(shù)隨著淹沒深度的增大逐漸減小，下泄水溫逐漸減小。當(dāng)淹沒深度較大時，斷面流速基本呈現(xiàn)以取水高程處為軸上下對稱分布。(3) 取水流量增大時，牽引力的作用范圍增大,取水范圍也逐漸變大，水溫分層和溫度均一情況發(fā)生改變，各斷面平均流速增大，不均勻系數(shù)隨著取水流量的增大逐漸減小，下泄水溫逐漸增加。參考文獻(xiàn)：1 黃永堅.水庫分層取水M.北京：水利電力出版社