带有盖板的垂直管道进出口在抽水蓄能系统中的湍流特性的数值研究

《Journal of Energy Storage》：Numerical investigation of the turbulence characteristics of the vertical pipe inlet/outlet with a cover plate in pumped storage systems

垂直管道进水口/出水口湍流特性研究表明，采用IDDES模型结合物理模型揭示了二次流在弯道末端达峰值，主流湍动能沿程增加，二次流与分离流相互作用导致扩散段主流摆动，从而引发垃圾栅段非均匀流量分布，造成流速超时均流速两倍波动。研究为优化结构参数提供理论支撑。

　　

朱洪涛|高学平

中国天津大学水利工程智能建造与运行国家重点实验室

摘要

垂直管道进出口的水力性能直接影响抽水蓄能电站水输送系统的安全性和运行效率。以往的大部分研究都集中在进出口的时均流特性上，而对进出口的湍流特性关注较少。本文同时建立了数值模型和物理模型，以研究进出口内部的湍流特性以及 trash rack 部分速度大幅波动的机制。研究发现，进出口内部存在二次流，且二次流的强度在弯管段末端达到峰值。沿流动方向，横截面的平均湍流强度也在弯管段末端达到0.20的峰值。主流的湍流动能在渐变段初期显著增加。进出口内部二次流与分离流之间的相互作用导致主流在扩散段发生摆动。主流在扩散段的摆动使得扩散段末端的流速分布不均匀，即每个孔口的流量随时间显著变化。流速分布的时空非均匀性是 trash rack 部分速度波动的直接原因。这些研究结果有助于理解进出口内部的流动特性，并优化进出口的形状参数。

引言

化石能源的广泛使用增加了温室气体排放，导致全球变暖和极端天气事件频发等环境问题[1]、[2]。为了解决这些问题，各国政府正在推动可再生能源的发展。风能和太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性，使得电网容易出现电压波动和频率偏差等问题[3]。因此需要相应的储能设施来维持电网的稳定性[4]。抽水蓄能是目前技术最成熟、经济性最高、规模最大的储能方式[5]、[6]。截至2024年，中国的抽水蓄能累计装机容量已超过6000万千瓦，到2030年将达到1.2亿千瓦。

抽水蓄能电站同时具备发电和抽水功能，这与传统水电站不同。进出口是抽水蓄能电站水输送系统的重要组成部分[7]、[8]。进出口主要有两种类型：侧式进出口和垂直管道进出口[9]。近年来，垂直管道进出口的应用逐渐增多，其优点在于工程布局简单。垂直管道进出口通常布置在水库底部。图1展示了抽水蓄能电站的水输送系统。

垂直管道进出口的结构设计直接影响抽水蓄能电站的运行效率和安全性。作者发现 trash rack 部分的速度波动较大，波动值甚至超过了时均速度值的两倍[9]。据作者所知，现有的研究大多集中在垂直管道进出口 trash rack 部分的时均速度分布上，而对内部湍流特性的研究较少，尽管这种类型的进出口已在一些抽水蓄能电站中得到应用。流动的波动效应可能成为 trash rack 结构疲劳破坏的诱因，因此揭示垂直管道进出口内部的湍流特性及 trash rack 部分速度波动的机制十分紧迫。

“抽水蓄能电站设计规范”仅对垂直管道进出口的时均水力特性提出了要求，例如 trash rack 部分的负速度范围（负速度区高度与孔口高度之比）不应超过20%，每个孔口的流量不均匀度应小于10%。因此，许多学者研究了 trash rack 部分的时均速度分布[10]、[11]。高学平等人[12]通过数值模拟比较了扩散段的椭圆曲线和孔口高度对 trash rack 部分速度分布的影响。张学平等人[13]结合数值模拟、响应面模型和优化算法，研究了孔口高度、扩散段长度和盖板半径对 trash rack 部分速度分布的影响。穆勒等人[14]通过原型观测测量了 trash rack 部附近的流速。然而，关于垂直管道进出口内部湍流特性的研究结果相对较少。

一些学者已经开始研究侧式进出口内部的湍流特性[15]、[16]、[17]。朱洪涛等人[16]使用延迟涡模拟方法研究了侧式进出口沿流方向的速度波动规律。郭学平等人[18]通过大涡模拟研究了不同屋面扩张角度下侧式进出口扩散段的流动分离现象，利用Q准则识别了扩散段中的涡结构，并指出扩散段存在三种涡结构：附着涡、发夹涡和顺流向涡。相比之下，垂直管道进出口的形状更为复杂，流体在流出口条件下会在短距离内经历两次流向变化，因此需要更加关注其湍流特性。

涡轮机的吸水管形状与垂直管道进出口类似，都属于扩张型流道，其内部也存在不稳定的流动特性。许多学者对吸水管的水力特性进行了研究[19]、[20]、[21]。例如，KC等人[19]通过数值模拟发现吸水管在部分负荷运行状态下存在不稳定流动，并进一步研究了相关控制技术。程学平等人[20]使用激光多普勒测速仪测量了吸水管内的流速并分析了湍流强度。泵系统的进水口形状也与垂直管道进出口类似，存在转向流动特性[22]、[23]、[24]。例如，张学平等人[24]基于高速可视化方法和高频动态压力传感器，研究了泵系统进水口附近的水力特性，并揭示了不同流动条件下的涡流动态演变规律和典型形态。与涡轮机的吸水管和泵系统的进水口相比，垂直管道进出口不仅在流动方向上扩张，还在短距离内经历两次90°的流向变化，因此有必要研究其内部的湍流特性。

本研究同时建立了数值模型和物理模型，以深入探讨垂直管道进出口的湍流特性。本文有两个目的：（1）进一步分析带盖板的垂直管道进出口内部的流动特性；（2）揭示垂直管道进出口 trash rack 部分速度超标的机制。对时均特性和湍流特性的综合分析将为优化垂直管道进出口的结构和保证水输送系统的安全运行提供宝贵见解。

部分内容摘要

垂直管道进出口的结构参数

为区分水库上部的进出口和下部的进出口，本文将水从进出口流入水库的情况定义为出水条件。垂直管道进出口包括渐变段、弯管段、直管段、扩散段、盖板、导流芯、孔口等部分。盖板下的导流芯将进出口沿圆周分成多个孔口。

IDDES方法

本文采用结合了SST $k?\omega$ RANS模型特征的IDDES模型，用于模拟远离边界层的垂直管道进出口的流场[25]。该方法已应用于水力工程[26]、[27]、风工程[28]、[29]和海洋工程[30]等多个领域。

选择IDDES方法有三个原因：（1）大涡模拟（LES）是研究湍流特性的最佳方法

进出口内部的时均特性

明确垂直管道进出口内部的时均特性是进一步分析其湍流特性的基础。以下从两个方面进行分析：trash rack 部分的速度分布和进出口内部的速度分布。

结论

本文建立了一个带盖板的垂直管道进出口的数值模型，全面分析了进出口的湍流特性及 trash rack 部分速度波动的机制。得出以下结论：

(1)

就时均速度而言，每个孔口的流量与理想值10%较为接近。然而从瞬时速度来看，每个孔口的

CRediT作者贡献声明

朱洪涛：负责撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究及数据分析。高学平：负责审稿与编辑、项目管理和资金申请。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52179077）的支持和资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。