01 研究背景

增加現(xiàn)有水利工程的產(chǎn)能，能夠在對(duì)社會(huì)和環(huán)境影響最小的情況下產(chǎn)生額外的能源。在法國(guó)，Rh?ne河的水力發(fā)電和航運(yùn)運(yùn)營(yíng)商CNR正在為現(xiàn)有的水力工程增加小型發(fā)電站（Small Power Plant）。這些小型發(fā)電站將與現(xiàn)有水利工程并排建立，它們的水源主要來(lái)自現(xiàn)有水利工程入口通道前河段的入流量。在新建小型發(fā)電站的同時(shí)，CNR還將在現(xiàn)有水利工程的上下游建立漁道。

從水力的角度來(lái)看，在現(xiàn)有水利工程的基礎(chǔ)上新增水利結(jié)構(gòu)往往存在較大難度。若水電站的入口通道與主流方向之間的方向急劇變化，小型水電站的入口渠道的來(lái)流不均勻，就可能會(huì)影響發(fā)電效率，甚至因?yàn)樗髡鹗幎饻u輪機(jī)損壞。因此需要一個(gè)可靠的數(shù)值模型來(lái)研究寬大河流與較小進(jìn)水口渠道之間的相互作用。

02 案例展示

ARTELIA的工程師通過(guò)三維水動(dòng)力仿真對(duì)Rh?ne河的兩個(gè)新增的小型水電站的進(jìn)水口渠道的尺寸和形狀進(jìn)行了初步評(píng)估，通過(guò)ADCP數(shù)據(jù)和水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)后，對(duì)模型的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，并利用該模型篩選渠道的最佳構(gòu)型，對(duì)這兩個(gè)小型水電站的進(jìn)水口渠道的尺寸和形狀進(jìn)行了優(yōu)化。

03 模型搭建

模型主要研究Rh?ne河上的Donzère和Caderousse小型水電站的進(jìn)水口渠道（寬度約為10m）以及渠道入口外延伸出去的主河道（寬度約為200米），因此這個(gè)模型可以充分考慮和模擬河道上游來(lái)流情況。網(wǎng)格總共有140000個(gè)節(jié)點(diǎn)，Rh?ne河主河道內(nèi)網(wǎng)格密度約為5~10米，在小型水電站的進(jìn)水口渠道入口附近加密至1~2米，進(jìn)水口渠道內(nèi)加密至0.2米。

圖1 Donzère和Caderousse小型水電站建造前Kh?ne河道地形

模型在Kh?ne河上游、現(xiàn)有水利工程入口以及小型水電站進(jìn)水口渠道末端施加恒定流量邊界；在Kh?ne河主干道下游施加恒定水位邊界條件。為了盡量減少數(shù)值擴(kuò)散，并且與通用水動(dòng)力仿真軟件中的潮灘設(shè)置兼容，ARTELIA的工程師使用LIPS對(duì)流格式來(lái)求解k-ε湍流模型。

04 模型驗(yàn)證

A. 水位驗(yàn)證

在中等流量工況下，河段的水位線很平坦，因此模型驗(yàn)證的信息量不大。在大流量工況下，通過(guò)將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.01m，Caderousse案例的實(shí)測(cè)水位線與模擬計(jì)算水位線吻合度高。

B. ADCP測(cè)量驗(yàn)證

ARTELIA的工程師將三維水動(dòng)力仿真模型計(jì)算結(jié)果與兩個(gè)小型水電站入口附近Rh?ne河的ADCP流量測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。圖2為Donzère在大壩上游，小型水電站進(jìn)水口與主河道交叉剖面的ADCP測(cè)量和模型計(jì)算的垂直平均絕對(duì)流速的比較。從圖中可以看出模擬速度交叉剖面的形狀與實(shí)測(cè)速度剖面吻合較好，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間的平均差值約為-0.1 m/s。這可能由于在ADCP調(diào)查日期(2021年)，河床上的沉積物沉積量高于用于建立模型的水深調(diào)查日期，也表明了河道的形態(tài)演化會(huì)對(duì)速度剖面產(chǎn)生影響。

圖2 三維水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與ADCP測(cè)量結(jié)果對(duì)比

C. 水利比例模型驗(yàn)證

在Donzère小型水電站建設(shè)時(shí)，已經(jīng)計(jì)算并獲取了水利比例模型的結(jié)果數(shù)據(jù)：這些結(jié)果包括表面流線的繪制和小型水電站進(jìn)口通道交叉剖面的流速測(cè)量。雖然水利比例模型計(jì)算出的速度交叉剖面的形狀與測(cè)量結(jié)果大體一致，但定量校準(zhǔn)并不完全令人滿意。這可能是物理模型的流量和速度測(cè)量不準(zhǔn)確產(chǎn)生的，而不是數(shù)值模型本身的問(wèn)題。對(duì)模型所使用的湍流模型和網(wǎng)格密度進(jìn)行的敏感度分析，結(jié)果證明這些修改對(duì)模型結(jié)果的影響非常有限。

05 結(jié)果與討論

通過(guò)數(shù)值建模師和水力工程師對(duì)不同幾何形狀的進(jìn)口通道和電廠不同的運(yùn)行條件進(jìn)行水力計(jì)算，找到能夠同時(shí)滿足水力和土木工程標(biāo)準(zhǔn)的幾何形狀。

在Caderousse小型水電站的案例下，測(cè)試了兩種非常不同的進(jìn)水口渠道配置（進(jìn)水口渠道與主河道的位置和角度不同，見(jiàn)圖3）進(jìn)行初步評(píng)估。為了節(jié)約運(yùn)行成本，將速度場(chǎng)更均勻的進(jìn)水口渠道構(gòu)型配置在實(shí)體比例模型上進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。

圖3 Donzère小型水電站的進(jìn)水口渠道的兩種構(gòu)型下仿真計(jì)算的速度場(chǎng)圖

在Donzère小型水電站案例下，進(jìn)行了不同形狀的進(jìn)水口渠道的仿真計(jì)算對(duì)比測(cè)試，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代優(yōu)化。得到在主河道大多數(shù)水力情況下，水頭損失均最小，入口流量最均勻的進(jìn)水口渠道形狀，如圖4所示。然后通過(guò)局部模型來(lái)檢查在數(shù)值模擬設(shè)計(jì)出的進(jìn)水口形狀下，是否會(huì)出現(xiàn)水流的周期性振動(dòng)現(xiàn)象，以此來(lái)優(yōu)化渠道的一些土木工程特性。

圖4 小型水電站進(jìn)水口渠道內(nèi)的水位和水頭沿流線分布

小型水電站的這兩個(gè)進(jìn)水口渠道案例通過(guò)使用水動(dòng)力仿真數(shù)值模型，縮小對(duì)實(shí)體比例模型進(jìn)行的選擇范圍。因?yàn)閷?shí)體比例模型的構(gòu)建和運(yùn)行成本比數(shù)值模型更高。此外，數(shù)值模型用于可視化或提取其他需求變量也可以作為輔助決策的工具。

06 討論

這項(xiàng)工作展示了三維水動(dòng)力仿真模型如何用于研究水電站進(jìn)水口渠道的水力學(xué)問(wèn)題。ARTELIA的工程師使用三維水動(dòng)力數(shù)值模型綜合優(yōu)化土木工程成本和最小化發(fā)電廠效率損失的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，并使用了水力比例模型來(lái)驗(yàn)證和改進(jìn)數(shù)值模型的結(jié)果。

07 小結(jié)

本文主要講述了ARTELIA的工程師利用三維水動(dòng)力仿真對(duì)兩個(gè)配備漁道的小型水電站項(xiàng)目的入流口渠道的尺寸和形狀進(jìn)行了初步評(píng)估。三維水動(dòng)力模型經(jīng)過(guò)河流水位實(shí)際測(cè)量結(jié)果和ADCP測(cè)量結(jié)果的校驗(yàn)和敏感性分析后，可以很好地模擬出入流口渠道周圍和內(nèi)部的流型和流速的分布。三維水動(dòng)力數(shù)值模型可以很好地用于篩選入流口渠道尺寸和形狀或其他水利工程結(jié)構(gòu)的最優(yōu)配置，進(jìn)而減少實(shí)體比例模型的構(gòu)建和運(yùn)行成本，提高效率。

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