水電站泄流數值計算管理論文

導語：水電站泄流數值計算管理論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

水電站采用不同的泄流消能方式，對水霧的產生機理、形態及霧量多寡，存在較大的差異。對于挑流消能工程，泄流霧化會造成以下危害：廠房進水、斷電、交通中斷和邊坡失穩。自20世紀70年代以來，國內一些專家學者對挑流霧化問題進行了廣泛的研究，取得了豐碩的成果；但對于底流消能工程，其泄流霧化問題很少研究。本文就灣塘水電站底流消能霧化的數計算作一探討。

1底流消能霧化的數學模型[1]

洪水在下泄和消能過程中，由于水流與空氣邊界的相互作用，使得水流自由面失穩和水流紊動加劇[2]，進而部分水體以微小水滴的形式進入空氣中，產生某種形式的霧源。霧源在自然風和水舌風的綜合作用下，向下游擴散，使水霧分布在下游的一定空間中。之后，水霧經自動轉換過程和碰并過程轉變為雨滴，以及水霧和水汽之間發生霧滴的蒸發或凝結過程。如圖1所示，因雨滴數較霧滴少得多，故在本數學模型中不考慮雨滴的蒸發過程和水汽凝結為雨滴的過程，在圖1中用帶虛線箭頭來表示。

1.1水霧霧源量的計算根據霧源產生的機理不同，底流消能霧化的霧源可分為二個；第一是溢流壩面自摻氣而產生霧源；第二是水躍區強迫摻氣而產生霧源。理論分析[3]和原型觀測[4]都表明，后者為主要霧源，故在本數學模型中僅考慮第二霧源，而不計第一霧源對下游的影響。如圖2所示，高速水流流經水躍區發生強迫摻氣，其中躍首處旋渦最強，可以認為摻氣點發生在此處，從而形成水氣兩相流。被旋渦挾持進水中的空氣形成氣泡，氣泡在水中隨著旋渦運動，有的氣泡脫離自由面的束縛以水滴、水霧的形式躍出水面，從而形成霧源[5]。根據底流消能[6]的霧化機理，得到下式：

式中：ql為單位長度線源的水霧霧源量，kg/(s·m)；ρ為水的密度；Lj為水躍的長度，Lj=10.8hc(Fr1-1)0.93，hc為躍首處的水深；vc為躍首處的流速；q為單寬流量，m2/s·m；u′2為躍首處的脈動速度均方根；uw為自然風和水舌風的合成風速。

選取ρ、Lj、vc為基本物理量，令qe=ρLjvc，利用量綱分析方法式(2)可得：

根據灣塘水電站霧化原型觀測的數據[4}，應用逐步回歸分析方法[7]，試建立式(3)的回歸模型：以ql/qe為因變量，以Fr1、Nt1和uw/vc作為可能的自變量，計算表明，在顯著性水平為0.05，Fr1、Nt1和uw／vc這三個量對因變量ql／qe的影響都不顯著；以ql為因變量，以qe作為可能的自變量，在顯著性水平為0.05，qe對因變量ql的影響顯著。故對ql和qe作線性回歸，求得：

1.2水霧擴散的數學模型

1.2.1基本假設(1)水霧霧源位于躍首的上方，且為連續線源；(2)水霧擴散滿足高斯擴散模式，擴散參數采用布魯克海汶擴散(BNL)參數系統，時空為小尺度模式；(3)水霧在峽谷內擴散，水霧在下墊面發生沉降和反射；(4)地形采用VALLEY(山谷)修正模式。

1.2.2風向與線源垂直時水霧的擴散[8]圖4是一個高架連續線源擴散的示意圖，坐標系oxyz的y軸與壩軸線平行，x軸為水流方向，z軸為垂直向上，點o位于躍首上方，且高程等于下游水位。設P為下游空間的任意一點，其坐標分別為x、y、z，其水霧的濃度為：

式中：σy為水霧在y方向的濃度分布方差；σz為水霧在z方向的濃度分布方差；h為水霧線源的高度，h=(05～1)(h″c-hc)，h″c為hc的共軛水深。y1為水霧線源起點y坐標；y2為水霧線源終點y坐標；φ為下墊面的反射系數。

考慮到峽谷內盛行山谷風，并且其風向變化不大。故擴散參數選用布魯克海紋擴散(BNL)參數系統(陣風度等級為D)：

1.2.3風向與線源成任意角時水霧的擴散在坐標系oxyz中，假定自然風速為uw1，其風向與x軸正向成β1角；水舌風速為vjw，其風向沿x軸的正向，則自然風速和水舌風速的合成速度為uw，其風向與x軸正向成β2角，規定：從x軸的正向開始，繞點o逆時針轉動時，角β為正值；反之，角β為負值，如圖5所示。建立風坐標系ox1y1z，使x1軸與uw平行，坐標系oxyz、ox1y1z的z軸相重合。將線源在y1軸上投影，分別得到虛擬線源在y1軸上的起點和終點坐標：y01=y1cosβ2；y02=y2cosβ2。這樣，合成風速uw與線源成任意角的情況就轉化為合成風速uw垂直流過虛擬線源的情況。參照式(8)，得到下游任意一點的水霧濃度分布：

1.2.4地形的修正模式因峽谷內盛行山谷風，并且其風向變化不大，故霧流擴散屬于中性或弱不穩定的情形。選取美國國家環保局(EPA)的VALLEY(山谷)模式，地形的修正模式主要體現在修正霧源的排放高度上。在中性或不穩定的情況下，假定霧流中心平行于地面，始終保持其初始的高度。

1.3霧滴、雨滴和水汽之間的相互轉換過程

1.3.1霧雨自動轉換過程霧雨自動轉換過程就是霧滴之間相互結合形成雨滴胚胎的過程，它是霧中出現雨滴的起始過程。Kessler(1969)給出了云雨自動轉換率的關系式，它也適用于霧雨自動轉換過程。

式中：Erc為雨滴對霧滴的碰并效率，qc為單位質量空氣中水霧的質量(kg/(空氣kg))，qr為單位質量空氣中雨滴的質量(kg/(空氣kg))。

1.3.3霧滴的凝結和蒸發過程[9]根據平衡法，來計算霧滴的凝結和蒸發。即在過飽和空氣中發生凝結，減少了空氣中的水汽量，直到空氣達到飽和為止；在不過飽和空氣中霧滴發生蒸發，增加了空氣中的水汽量，直到空氣達到飽和或霧滴蒸發完畢為止。

假定未發生泄流時，空氣的溫度和水汽比濕分別為T1和q1，若凝結量等于x時空氣達到飽和，此時，空氣的溫度和水汽比濕分別達到T和q，存在以下關系式：

x>0，表示在過飽和空氣中，空氣發生凝結，x為空氣達到飽和的所凝結的水汽量；x<0，表示在不飽和空氣中，空氣發生蒸發，|x|為空氣達到飽和的所蒸發的水汽量。當qc<|x|時，蒸發量就等于qc，即霧滴全部蒸發完，空氣尚處于未飽和狀態。所以凝結量為：

2灣塘水電站消能霧化的數值計算

2.1灣塘水電站霧化原型觀測工況觀測工況情況見表1。

2.2灣塘水電站氣象條件灣塘水電站未泄流的氣象條件，如表2所示。表中風向：0°和360°表示正北；90°表示正東；180°表示正南；270°表示正西。

2.3灣塘水電站泄流霧化數學模型計算結果

2.3.1泄流霧化的霧源量由灣塘水電站霧化原型觀測工況表1和氣象條件表2等，根據式(4)計算得到灣塘水電站泄流霧化的霧源量，如表3所示。

2.3.2計算結果的等值線圖從圖6～9可見，水霧濃度、相對濕度、溫度和降雨強度等值線大部分在消力池的范圍內。在消力池中心線截面上，各點的溫度和相對濕度等值線如圖10和圖11，溫度和相對濕度的高值集中在局部的范圍內。

2.4灣塘水電站霧化參數的計算值和原觀值

2.4.1斷面2中點雨強的計算值與原觀值在斷面2(樁號為0+56.05)上，取y=0與高程分別等于394m和395m的兩點，它們的雨強計算值與原觀值見表4，對應的分布圖如圖12所示。可以看到：雨強的原觀值和計算值都隨躍首單寬流量的增大而增大，并且兩者基本一致。

2.4.2斷面2空氣含水量計算值和原觀值的對比灣塘水電站泄流時，斷面2空氣含水量的計算值和原觀值見圖13～17，可見，除圖16外，其他工況的空氣含水量計算值和原觀值基本一致。

3結論

通過本文的研究，得到以下結果：(1)應用量綱分析方法，得到底流泄流霧化的霧源量計算關系式，計算過程簡單、計算結果可靠；(2)建立了底流泄流霧化的數學模型，能計算霧源下游流場水霧濃度、溫度、相對濕度和降水強度的分布；(3)對灣塘水電站底流消能霧化進行了數值計算，其計算結果與工程原型觀測基本一致，說明本文的數學模型有效、可靠；(4)本文的數學模型既可以為水電站的設計、運行和防護提供借鑒，也可以為底流消能霧化的環境評價提供有效的手段。