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水 利 学 报

２０２４年 ７月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ７期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０７ － ０８２７ － １１

大型岔管内螺旋流涡带数值分析研究

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申 艳 ，姜姿云 ，杨 利 ，宋蕊香 ，王 薇 ，郭 苗 １
（１．华北电力大学 水利与水电工程学院，北京 １０２２０６；２．中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 １０００２４）
摘要：岔管部件广泛应用于常规水电站、抽水蓄能电站等重要水力发电工程。大型岔管（Ｄ ≥６ｍ）由于岔管外
主
形，肋板结构及内部流态三因素耦合可能导致螺旋流涡带，其对岔管的水力损失具有不可忽略的消极后果。本文
基于经典 ｋ － ε 湍流模型联合考虑实际岔管材料壁面粗糙率，构建了考虑壁面真实粗糙度的钢岔管内部流态 ｋ － ε湍
流模型。计算结果与实验数据对比验证了本文构建数值模型的有效性及准确性。随后采用导流叶片策略有效消除
了大型岔管内的螺旋流涡带现象。研究结果表明：多导流叶片优化方案可有效减少和消除大型岔管中的螺旋流
态，并减少岔管水力损失。具体地，对岔管支管路中不同流量工况，优化后的主管路部分流线分布均匀，最大流
速位于岔管支管路弯管（内弯）附近；优化后岔管肋板两端涡旋流态基本消除。对岔管支管流量不均匀工况，支管
路内螺旋流涡带流态明显减缓，只存在少量螺旋流态。本文研究结果可对岔管水力优化设计及相近研究领域提供
一定参考。
关键词：计算流体力学；螺旋流涡带；导流叶片；水力损失；水力优化；数值研究；大型岔管
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分
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类
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号
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中
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０１６７
图
１ 研究背景
岔管部件广泛应用于常规水电站 ［１ － ３］ 、抽水蓄能电站 ［４ － ７］ 、泵站 ［８ － ９］ 、核电站 ［１０ － １２］ 等水利或电力
重要领域。其内部流态对研究所在系统的水力损失及整个系统综合效率具有重要基础意义 ［１３ － １６］ 。
计算流体动力学（ ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）技术和模型实验两种方法被广泛应用于岔管
内部流动及相应水力损失研究中。Ｐｒａｄｈａｎ等 ［１７］ 采用分离隐式求解器与时间推进法，探究了流道曲
率、流动分割以及形状和面积对水头损失的复杂影响，并指出分岔损失不可忽略。Ｔａｎｇ等 ［１８］ 采用笛
卡尔张量表示法的稳态 Ｎ － Ｓ方程，对液压管路中常用的不同流动方式进行数值模拟，得到了液压油在
管路中的阻力特性，并基于流场中压力变化机理分析了阻力损失的原因。Ｇａｎ等 ［１９］ 利用标准 ｋ － ε湍流
模型与 ＱＵＩＣＫ差分格式确定了方形截面管道连接处的压力损失系数，此系数与从支管到携带总流量的
导管的流量有关。Ｐéｒｅｚ等 ［２０］ 通过物理模型实验得出，根据不同流量配置，管道总压损失系数最高可
达 ２５％左右。陈江林等 ［２１］ 使用压力传感器监测管道动水压强，分析不同工况下水头损失的产生机理，
得到了不同分流比、入口流速、管径比对水头损失系数的影响。夏庆福等 ［２２］ 结合具体工程，进行了在
不同肋宽比情况下，不同分岔角的对称岔管和非对称岔管的实验，系统地分析了分岔角、肋宽比和分
流比对水头损失系数的影响，并得出了他们之间的关系曲线。陈文创等 ［２３］ 将非对称卜形三分岔管基于

收稿日期：２０２４ － ０３ － ２５；网络首发日期：２０２４ － ０７ － １５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０７１０．１４０３．００３．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２２７９０８４）；国家自然科学基金青年基金项目（５１９０９１３２，５２２０６０４８）；中央高校基金项目
（ ２０２４ＭＳ０６５）
作者简介：申艳（ １９７３ － ），博士，副教授，主要从事大型水力系统内部流动，大型水力系统部件结构分析研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｙａｎ＠
ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：郭苗（１９８６ － ），博士，副教授，主要从事 抽 水 蓄 能 电 站 内 部 复 杂 流 态，深 邃 泵 站 内 流 机 理 研 究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｍｉａｏｕｇｏ＠
ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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