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水 利 学 报

2021 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2021）01-0062-09

不同体型调压室的瞬态水力特性对比分析

何相慧 ，杨建东 ，杨桀彬 ，胡金弘 ，郑贵桥 ，向正林 2
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（1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；
2. 南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510630）
摘要：由于地形特征和调压室断面积的不同，水电站调压室体型也多种多样，从而使水电站过渡过程具有不同的
瞬态特性。本文采用基于特征线法的一维计算及基于 CFD 方法和 VOF 模型的三维计算，比较了 T 型截面调压室和
π型截面调压室过渡过程中的瞬态水力特性。一维计算结果表明，两种体型的调压室涌浪及调保参数随时间的变
化规律相同，且调保参数均在控制范围以内。一维与三维的结果基本一致，但三维计算可反映液面的真实波动，
即 T 型调压室在机组甩负荷工况下产生较大的涌浪波动，启动工况下产生立轴旋涡，并迅速蔓延到升管内，可能
会影响水电站的安全运行。而π型调压室中的水流流态较平稳，未产生吸气旋涡。因此，采用π型截面的调压室更
符合工程需要。
关键词：水电站；调压室；一维特征线法；VOF 模型；断面形状
中图分类号：TV134 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200389

1 研究背景

设置调压室是改善长输水管道水电站运行条件的可靠措施，既可以减少管道的水锤压力，又可
以防止由于尾管真空度过高引起的水柱分离，从而提高水电站的运行安全性 ［1-2］ 。地形因素对调压室
施工有制约作用，影响了调压室的形状和调压室断面积，如何在满足水电站安全运行的前提下，合
理设计调压室体型，是每个水电站设计中关键技术问题之一 ［3-4］ 。
［5］
在数值模拟方面，赵志高等 建立了基于电路等效理论的有压管道系统数值仿真模型，有效协调
［6］
了仿真精度与计算效率之间的矛盾。Harlow 等 提出的特征线方法（MOC）被广泛用于有压管道系统的
［9］
瞬态特性研究中，用于求解偏微分方程组 ［7-11］ 。陈玲等 对比了解析法、数值积分法和特征线法在求
解调压室涌浪过程中的区别，结果显示特征线法考虑了水电站管路布置特性，理论精度较高，适用
于大中型水电站。Yang 等 ［10-11］ 将水轮机特性曲线方程改写为空间曲面方程，并提出了基于转速偏差
函数机组边界条件的寻根方法。尽管 MOC 方法可得到调压室水位的数值解，但无法得到调压室水位
波动过程中内部流态，该流态较为复杂多变，若产生旋涡、脱流、进气等有害现象，会影响水电站
的安全稳定运行。于是，近年来国内外许多学者采用 CFD 方法对调压室水位波动过程及瞬变水力特
性进行了研究。CAI F 等 ［12］ 通过试验和 CFD 数值模拟研究了立轴旋涡的产生原因和优化方法，结果表
明淹没水深是影响立轴旋涡产生的主要因素，通过减小弗劳德数 Fr 和速度环量可有效抑制立轴旋涡
的产生；邓淞苡等 ［13］ 探讨了长廊式调压室不利流态的产生原因，并提出通过增加“消涡墩”的方式消
除立轴旋涡；华富刚 ［14］ 讨论了长上室调压室的水面瞬态波动，发现 CFD 计算值和测试值吻合良好，
并通过特征线法与 CFD 方法结合进行了水电站过渡过程计算。刘飞等 ［15］ 探讨了不同湍流模型和边界

收稿日期：2020-06-01；网络首发时间：2020-11-27
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201127.1102.001.html
基金项目：国家自然科学基金重点项目（51839008）
作者简介：何相慧（1991-），博士生，主要从事水电站过渡过程数值模拟研究。E-mail：xianghui.he@whu.edu.cn
通讯作者：杨建东（1956-），博士，教授，主要从事水电站过渡过程研究。E-mail：jdyang@whu.edu.cn
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