基于FLUENT的水電站水電能源優(yōu)化的數值模擬.pdf

1、水能是一種可再生能源,具有清潔無污染、可循環(huán)利用、成本低效益高、對生態(tài)環(huán)境影響較小等優(yōu)點,是目前乃至未來幾十年內主要的電能生產方式之一,并逐步代替不可再生能源在我國能源消費結構中的主體地位,因此研究水力發(fā)電過程中水電能源的轉化以及如何有效提高水能利用率使得水電能源達到最優(yōu)顯得尤為重要。
　　 水力發(fā)電是一個水機電耦合的大系統(tǒng),由水力系統(tǒng)和機電系統(tǒng)構成,本文構建了由庫區(qū)和壓力管道組成的水力系統(tǒng),采用有限體積法對計算區(qū)域和流體流動方

2、程組進行離散,結合邊界條件和初始條件利用基于算子分裂的壓力隱式算法對離散方程組求解。由于水頭和流量是構成水能的兩個基本要素,水頭的變化涉及到了自由液面,故引入了流體體積法來求解水氣兩相流問題并捕捉自由液面的位置。文中采用了商用流體動力學軟件FLUENT對帶自由液面的水庫變水頭壓力管道非恒定泄流進行了數值求解,研究庫區(qū)形狀、壓力管道連接方式、壓力管道管徑和壓力管道傾斜度對水電能源的影響,初步探索了流場的流線分布、質點運動軌跡以及進水口的抽

3、吸影響。
　　 為了驗證本文采用的數值計算方法的正確性,建立了直角管路進口模型,數值計算的局部水頭損失系數為0.546,經驗值為0.5。由庫區(qū)長度為3m和庫區(qū)長度為6m的直角管路進口模型流場流線圖對比可知,進水口前水體的下泄在z向可分為三個部分,第一部分的下泄點離進水口邊壁較近,下泄流線曲率較大,近乎90°,下泄區(qū)域為[55°,90°];第二部分流線曲率較平緩,是主要的下泄水體,下泄區(qū)域為[0°,55°];第三部分流動至進水口前

4、再向進水口聚攏,流動區(qū)域為[-90°,0°]。
　　 本文建立了長方體庫區(qū)和梯級庫區(qū)幾何模型,在相同的壓力管道結構布置條件下同一水頭得到的流量和出力相差無幾,但同一庫容在相同的泄流時間內梯級模型可獲得更多的發(fā)電量,且梯級模型單位體積水量的發(fā)電量比長方體模型多3.038kW.s,故梯級模型在水能利用和電能生產方面都優(yōu)于長方體模型。
　　 壓力管道的連接形式對水能的利用影響較大,傾斜段與庫區(qū)非直接相連的最大出力比直接相連的最

5、大出力減少了12.7％,最大水頭損失增加了7.1％,產生同一電量也更耗水,故傾斜段與庫區(qū)直接相連更具優(yōu)勢。
　　 在相同的庫區(qū)形式和壓力管道結構布置條件下,壓力管道管徑越大同一水頭下的出口流量和出力就越大,但發(fā)出同一電量所耗費的水量是一樣的,與管徑大小無關。管徑越大進水口的抽吸作用范圍越大,管徑為0.5m以內時,抽吸范圍是對稱的,隨著管徑的增大進水口對上部水體的作用增大,呈現非對稱狀態(tài),在xy平面仍可近似認為是對稱的。