Page 67 - 水利学报2021年第52卷第1期

条件对计算结果准确性的影响，结果表明 RNG k-ε湍流模型和 Realizable k-ε湍流模型对强旋流的适
应性较好， 预测精度能够满足工程要求。另外，多位学者的研究表明，CFD 计算结果与试验结果具
有良好的吻合性，采用 CFD 方法进行调压室瞬变水力特性模拟具有良好的精度，可为工程实践提
供参考 ［16-19］ 。
一维特征线法计算调压室涌浪水位已经得到了广泛的应用和证实，成功地应用于国内外多座水
电站的设计中，随着 CFD 技术的发展和计算机运算能力的提升，利用 CFD 计算调压室涌浪及局部流
态的准确性也得到了验证，但是很少有论文对一维与三维的计算结果进行对比，本文所研究的调压
室体型也鲜有报道。因此，基于以上研究成果，本文采用一维数值仿真和三维 CFD 对某水电站 T 型
调压室和π型调压室两种体型进行了数值模拟，两种体型的调压室断面积相同。计算工况为双机甩负
荷工况和一台机满载另一台机启动工况（以下简称甩负荷工况和启动工况），并通过对比其调压室涌
浪和内部流态等得到较优的调压室断面形状，为工程实践提供参考。

2 一维 MOC 计算模型

2.1 有压管道的特征线法 有压管道弹性水锤的基本方程由运动过程和连续性方程组成：
∂V + V ∂V + g ∂H + f V |V = 0； ∂H + V ∂H - Vsinα + a ∂V （1）
2
|
∂t ∂x ∂x 2D ∂t ∂x g ∂x = 0
式中：V 为管道中的流速，由上游流向下游为正；t 为时间；x 为距离管道最左端的距离；g 为重力加
速度；f 为沿程损失系数；D 为管道直径；H 为水头；a 为水锤波波速。
采用 MOC 方法将公式转换为两组特征线上的常微分方程，如下所示
-
+
C ：H = C + S Q ；C ：H = C - S Q P （2）
P
A
P
P
B
B
A
式中：H 为测压水头；S 和 S 为截面周长；Q 为流量。
P
P
A
B
特征线法可以解决多种边界问题，不仅可以合理地反映水电站管路布置特点，也可以方便地考
虑水流惯性、管壁弹性及摩阻的影响，便于编程实现计算机求解。
2.2 调压室计算模型 Topsys-TP 是武汉大学开发的水电站过渡过程一维计算软件 ［10-11］ ，已成功应用
于国内外近百座水电站的设计。本文采用 Topsys 进行一维计算，其计算模型如图 1 所示。T 型调压室
（图 2）和π型调压室（图 3）的算法相同，边界条件有所差异。下面以 T 型调压室为例，介绍其数学模型。
以国内某水电站的 T 型阻抗式调压室为原型，可列出 13 个未知数 H 、 H 、 H 、 H 、Q 、
P1 P2 P3 P4 P1
Q 、Q 、Q 、 H 、 H 、Q 、Q 、 Z ，对应的边界条件是：
P2 P3 P4 TP1 TP2 TP1 TP2

图 1 Topsys 计算简图
Q Q Q
H P1 H TP1 H P2
P1 TP1 P2
Z
1
Z
Q Q 2 Q P4
H P3 H TP2 H
P3 TP2 P4
Q Q TP1 Q P2
H P1 H H
P1 TP1 P2
Z
Q Q Q 94m
H P3 H TP2 H P4 Z Z
P3 TP2 P4 1 2
Q Q
H TP1 H TP2
TP1 TP2
Q H Q H P2
P1
P1
P2
Q H Q H
P3 P3 P4 P4
图 2 T 型截面调压室模型 图 3 π型截面调压室模型
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