随着我国国民经济的飞速发展, 全国各地电网容量不断增大, 电网的用电不均匀性问题不断突出, 解决电网的调峰容量已成为当前电力生产中的紧迫问题之一, 开发大型抽水蓄能电站是缓解这一问题的途径之一.抽水蓄能电站进水口和出水口合一,简称进/出水口.上库的进/出水口在发电时为进水口, 在抽水时为出水口;下库的进/出水口在发电时为出水口, 在抽水时为进水口.根据其进/出水口的形式, 可分为侧式与竖井式两种.竖井式根据其结构又可分为开敞式与盖板式两大类.我国一般采用侧式进/ 出水口,盖板竖井式进/出水口较少, 因此很多工程技术人员对盖板竖井式进/出水口水力特性不熟悉, 并且可供参考的工程实例也少,建成的仅有西龙池.现有的相关论文或针对发电工况, 或针对抽水工况进行研究, 对试验的尺寸和方法进行描述,或给出水头损失或者流态是否好的结论,等等,而缺乏对此类水利工程结构的水流流态进行系统地分析与整理.本研究结合无锡马山抽水蓄能电站上库进/出水口的体形优化项目,对盖板竖井式进/出水口水力特征进行初步研究.由于每个工程的运行设计参数均有一定的差异,特定的试验和计算结果只对特定的工程项目有意义, 因此, 笔者仅针对进/出水口的水力共性特征进行研究.
对进/出水口水力特性的分析方法有两种:一种是模型试验, 另一种是数值模拟.在本次研究过程中,结合模型试验与数值模拟,对竖井式进/出水口的水力特征进行分析,其具体分析方法如下:
(1)三维模型试验.本研究中, 以马山抽水蓄能电站上库的盖板竖井式进/出水口为基础进行试验. 模型按重力相似准则(佛汝德准则)进行设计, 采用正态模型.在漩涡和水流环流的试验中, 原型的雷诺数Re和韦伯数We都很大;在模型试验中,因粘性力和表面张力对水流漩涡和环流的作用相对较大, 不能忽略其影响.为了尽量减小粘性力和表面张力的影响,必须提高模型雷诺数Re和韦伯数We.模型试验中常用的方法是加大模型流量至2.0 ～3.0倍设计流量,以提高模型雷诺数Re和韦伯数We, 便于观察漩涡运动.
(2)二元切片水流模型试验.三维的水力物理模型试验在可视性方面存在不足, 为了弥补这方面的缺陷, 可补充二元切片水流模型试验.可以比较直观地了解进/出水口的流态特征, 以便优化进/出水口体型并判别优化后的效果, 为进一步的物理模型试验和数值计算提供依据.二元切片水流模型按重力相似准则设计,可以选取较大的模型比尺 .马山切片模型试验与试验略有区别,为了模拟轴对称水流扩散的特征,在平面的垂直面钻孔,同时控制两端出流,强迫水流通过垂直面的小孔扩散.流量按重量法标定, 误差在8%以内.在水泵吸入口掺气, 以观察流动状态.二元切片水流的不足较多, 因此主要用于观察抽水工况下的主流方向,进行定性描述.