Page 50 - 2024年第55卷第12期

拦污栅断面流速脉动剧烈的原因之一。张翰等 ［１３］ 基于不同湍流模型，发现当孔口网格由 ０．０５Ｄ（Ｄ为
主管路内径）加密至 ０．０３Ｄ时，数值模拟误差降低明显。王晨茜等 ［１４］ 采用 Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ － ε 湍流模型对侧
式进?出水口出流扩散时产生的流动分离现象进行研究，发现垂向扩散角对减弱流动分离、消除拦污栅
断面反向流速起主导作用。Ｙｅ等 ［１５］ 采用 Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ － 湍流模型对侧式进?出水口水力特性进行模拟
研究，基于模拟结果提出了一种优化体型，有效减小了各流道流量分配不均匀程度。在抽水蓄能电站
水力损失分析研究中，除针对电站的水头损失系数 ［１１］ 外，部分学者针对电站蓄能机组内部水力损失分
析也进行了相关研究。Ｚｈａｎｇ等 ［１６］ 采用局部水力损失率法来显示抽蓄电站蓄能机组内各部件水力损失
分布。王李科等 ［１７］ 采用熵产理论分析蓄能机组进入 “Ｓ” 特性区不同工况下的能量损失规律等。国内
外在此领域研究较多 ［１８ － ２０］ ，而在抽蓄电站水力系统内各类有害流态引起的水力损失详细分布方面研究
有待深入。本文从流动机理入手，定量分析抽蓄电站水力系统内部各类流态与水力损失之间的内在联
系，并揭示重点优化方向。
本文以某抽蓄电站下库侧式进?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进行数值模拟，然后对比试验数据，验证本文所构建数值模型的有效性与精确
性，进而分析同流量不同水位各工况下的进?出水口截面流速分布，内部流态及流量分配等水力特性。
随后，针对传统水头损失系数无法描述局部几何位置水力损失的不足，建立了基于能量守衡方程的适
用于抽水蓄能电站侧式进?出水口的水力损失数理模型，并给出了由该模型计算得到的局部平均能量损
失结果。将有害流态与其引起的平均能量损失关联分析，进一步深入认识局部有害流态与同位置处产生
的水力损失之间的内在关联并提供明确的结构优化方向，为后续类似体型水力优化设计提供理论依据。

２ 数值模型及方法

２．１ 数值模型与壁面粗糙度模型 本文选择 ＲＮＧｋ － ε 湍流模型 ［２１］ 进行数值模拟，因其处理高应变率
及流线弯曲程度较大的流动时具有更高预测精度 ［２２ － ２３］ ，计算平台为 ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ２０２２Ｒ。控制方程离
－ ８
散化为二阶迎风格式，采用 ＳＩＭＰＬＥＣ算法求解压力和速度耦合方程，各物理量的收敛判据为 １０ 。
７
针对侧式进?出水口内湍流（Ｒｅ＞２．２ × １０）主流区采用 ＲＮＧｋ － ε 湍流模型模拟，考虑到该模型对近
壁区流动处理效果不佳 ［２４］ ，结合工程实际的侧式进?出水口混凝土壁面粗糙度及 Ｆｌｕｅｎｔ标准壁面函数
模型 ［２５ － ２６］ ，提出下述改进的考虑壁面粗糙度的壁面函数模型，通过对原标准壁面函数速度进行修正实
现壁面粗糙度的影响
( )
ｕ
１ ＾ｙ
＋ Ｐ
ｕ ＝ ｌｎＥ － Δ Ｂ
κ ν
１?４ １?２
Ｕ Ｃ ｋ ρ
 Ｐ μ Ｐ
Ｕ ≡ （１）
τ ｗ
１?４ １?２
Ｃ ｋ ｙ
Ｐ
μ
Ｐ

ｙ≡
ν
ｕ＾ｕ
ｐ
＋
＋
式中：ｕ为无量纲速度，ｕ ＝ ρ ，ｕ 为壁面附近第一个网格点中心速度，τ ｗ 为壁面切应力；κ为冯
ｐ
τ ｗ
１?４ １?２
卡曼常数（ κ ＝ ０．４１８７）；Ｅ为经验常数（Ｅ ＝ ９．７９３）； ＾ｕ为壁面切应力速度， ＾ｕ ＝ Ｃ ｋ ，Ｃ 为湍流黏度；
μ
μ
Ｐ
１
ｙ 为壁面到壁面附近第一个网格点的距离；ν 为运动黏度；Δ Ｂ为速度修正项，Δ Ｂ ＝ ｌｎｆ，表征关于
Ｐ ｒ
κ
粗糙度的类型及表面粗糙峰平均值的函数；ｆ为粗糙度函数；ｋ 为壁面附近第一个网格 点湍动能；
ｒ
Ｐ


Ｕ 为无量纲速度；ｙ 为无量纲壁面距离；Ｕ 为壁面附近第一个网格点速度；ρ 为流体密度。
Ｐ
＋
本文取 ０．０１４ｍｍ典型混凝土壁面颗粒平均高度 Ｋ，为方便应用，提出无量纲粗糙度高度 Ｋ
ｓ ｓ
Ｋ＾ｕ
ｓ
＋
Ｋ ＝ （２）
ｓ
ν
６
— １ ４ ２ —