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水 利 学 报

２０２４年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）１２ － １４６１ － １１

抽水蓄能电站侧式进出水口水力损失演化过程研究

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郭 苗 ，黄子豪 ，宋蕊香 ，姜姿云 ，王 薇 ，郭 超 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：抽水蓄能电站侧式进?出水口是电站引水系统重要组成部分，其内部流态对整个电站安全运行具有重要意
义。本文以某抽蓄电站下水库侧式进?出水口为研究对象，联合 ＲＮＧｋ － ε湍流模型与改进的考虑壁面粗糙度的壁
面函数模型，研究同流量不同水位下进流、出流工况下侧式进?出水口的内部流态、涡旋分布、水力损失等水力
特性，数值模型结果与模型试验结果吻合较好。此外，构建了基于能量守衡方程的抽水蓄能电站侧式进?出水口
水力损失数理模型，并给出了各种水力损失对最终整体水力损失的贡献度，将水力损失演化过程与具体流态对
应，量化分析侧式进出水口中的局部具体能量损失，为下一步水力优化做好基础工作。研究结果表明：高水位的
发电工况在进?出水口内部的水流流态较为紊乱，并伴随有程度不一的流动分离现象以及涡旋产生；发电工况的
流量分配不均匀性更大并且存在偏流现象；发电工况的水力损失较大且主要集中在调整段及防涡梁段。本文研究
结果对后续相关领域优化设计具有参考意义。
关键词：粗糙壁面函数模型；ＲＮＧｋ － ε湍流模型；侧式进出水口；水力损失
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０４８９
中图分类号：ＴＶ７３２

１ 研究背景

“双碳” 进程中，大力发展新能源，加快构建安全稳定高效电力系统，对我国经济社会的稳健发
展具有重要意义 ［１］ 。抽水蓄能电站具有调频、调相及黑启动等特点，具有广阔发展空间 ［２］ 。侧式进?出水
口作为抽水蓄能电站引水系统重要组成部分 ［３］ ，具有双向复杂流动条件，其进、出流时流道为三维渐缩、
扩散体型，水流流动时流道几何结构的改变较易引起流态的改变 ［４］ 。而进?出水口内部流态直接影响整个
电站的安全稳定运行及其动、静态效益，因此对此类进?出水口内部水力特性研究具有十分重要的意义。
目前对侧式进?出水口水力特性的研究，数值模拟是主要方法之一。相比于模型试验，数值模拟计
算效率更高，成本更低，可展示更多流场信息 ［５］ 。郭港归等 ［６］ 采用大涡模拟研究某带水平弯段的抽蓄
电站侧式进?出水口在偏流出流下的流道分流比、流动分离、低频脉动等水力特性，发现偏流出流下流
道分流极不均匀，造成拦污栅处三轴漩滚的主要原因是由水平、垂直扩散角引起的流动分离，较大的
水头损失存在于隔墩的壁面处及流道内流动分离处。高学平等 ［７ － １０］ 研究不同湍流模型在侧式进?出水口
数值模拟研究中的适用性，结果显示 ＲＳＭ模型的计算效率较高，ＬＥＳ等尺度解析模型的准确性较好，
进一步提出采用多岛遗传算法对进?出水口的体型进行优化，提高了体型优化的效率。Ｚｈａｎｇ等 ［１１］ 提出
结合计算流体力学方法、响应面法和遗传算法的集成方法对进?出水口的体型进行优化，有效降低了流
速不均匀性等参数。朱洪涛等 ［１２］ 针对侧式进?出水口拦污栅断面脉动流速过大的情况，通过模型试验
发现内部水流紊动强度呈现沿程先增大后减小的变化规律，扩散段及调整段内脉动流速均较大是导致

收稿日期：２０２４ － ０７ － ３１
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２２７９０８４，５２２０６０４８）；中央高校基金项目（２０２４ＭＳ０６５）
作者简介：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：ｍｉａｏｇｕｏ＠
ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：郭超（１９９２ － ），博士，讲师，主要从事大型水力系统部件结构分析研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｇｕｏｃｈａｏ＠ｎｃｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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