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(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn),是目前乃至未來幾十年內(nèi)主要的電能生產(chǎn)方式之一,并逐步代替不可再生能源在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的主體地位,因此研究水力發(fā)電過程中水電能源的轉(zhuǎn)化以及如何有效提高水能利用率使得水電能源達(dá)到最優(yōu)顯得尤為重要。
　　 水力發(fā)電是一個(gè)水機(jī)電耦合的大系統(tǒng),由水力系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成,本文構(gòu)建了由庫(kù)區(qū)和壓力管道組成的水力系統(tǒng),采用有限體積法對(duì)計(jì)算區(qū)域和流體流動(dòng)方

2、程組進(jìn)行離散,結(jié)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(duì)離散方程組求解。由于水頭和流量是構(gòu)成水能的兩個(gè)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(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)帶自由液面的水庫(kù)變水頭壓力管道非恒定泄流進(jìn)行了數(shù)值求解,研究庫(kù)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(duì)水電能源的影響,初步探索了流場(chǎng)的流線分布、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡以及進(jìn)水口的抽

3、吸影響。
　　 為了驗(yàn)證本文采用的數(shù)值計(jì)算方法的正確性,建立了直角管路進(jìn)口模型,數(shù)值計(jì)算的局部水頭損失系數(shù)為0.546,經(jīng)驗(yàn)值為0.5。由庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度為3m和庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度為6m的直角管路進(jìn)口模型流場(chǎng)流線圖對(duì)比可知,進(jìn)水口前水體的下泄在z向可分為三個(gè)部分,第一部分的下泄點(diǎn)離進(jìn)水口邊壁較近,下泄流線曲率較大,近乎90°,下泄區(qū)域?yàn)閇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?yàn)閇0°,55°];第三部分流動(dòng)至進(jìn)水口前

4、再向進(jìn)水口聚攏,流動(dòng)區(qū)域?yàn)閇-90°,0°]。
　　 本文建立了長(zhǎng)方體庫(kù)區(qū)和梯級(jí)庫(kù)區(qū)幾何模型,在相同的壓力管道結(jié)構(gòu)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(kù)容在相同的泄流時(shí)間內(nèi)梯級(jí)模型可獲得更多的發(fā)電量,且梯級(jí)模型單位體積水量的發(fā)電量比長(zhǎng)方體模型多3.038kW.s,故梯級(jí)模型在水能利用和電能生產(chǎn)方面都優(yōu)于長(zhǎng)方體模型。
　　 壓力管道的連接形式對(duì)水能的利用影響較大,傾斜段與庫(kù)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(chǎn)生同一電量也更耗水,故傾斜段與庫(kù)區(qū)直接相連更具優(yōu)勢(shì)。
　　 在相同的庫(kù)區(qū)形式和壓力管道結(jié)構(gòu)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(fèi)的水量是一樣的,與管徑大小無關(guān)。管徑越大進(jìn)水口的抽吸作用范圍越大,管徑為0.5m以內(nèi)時(shí),抽吸范圍是對(duì)稱的,隨著管徑的增大進(jìn)水口對(duì)上部水體的作用增大,呈現(xiàn)非對(duì)稱狀態(tài),在xy平面仍可近似認(rèn)為是對(duì)稱的。