[发明专利]基于液相与气相耦合的调压室水位波动模拟方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于水电站数值模拟技术领域，特别涉及一种基于液相与气相耦合的调压室水位波动模拟方法及系统。

背景技术

随着水电建设发展，调压室应用越来越普遍，规模越来越庞大。一方面，水电站流道的水力设计、结构设计等与调压室位置、形式和尺寸密切相关；另一方面，一些关键的调节保证参数，比如蜗壳压力、尾水管压力、调压室最高涌浪水位、调压室最低涌浪水位等均受调压室参数影响，调压室对调节系统稳定性和调节品质等都具有非常大甚至决定性的影响。

工程设计时，一方面要使设计的调压室的最小面积满足压力、涌浪极值以及系统稳定的要求，并留有一定的安全系数；另一方面设计的调压室的最大面积受到地形地质、围岩稳定等诸多因素限制，同时，调压室投资占流道系统比例相当大，应此在满足调节保证和机组运行稳定的前提下，应尽量减少工程量，满足经济合理原则。

调压室的工作原理是利用扩大的断面和自由反射水击波，减小水击压力并改善机组的运行条件。设计阶段，需要采用数值模拟技术对整个引水发电系统的动态特性及瞬变过程进行仿真模拟，以确保各部分设计均满足要求。调压室作为引水发电系统的重要组成部分，其水位波动模拟的准确性直接影响引水发电系统仿真模拟的可靠性，因此数值模拟中调压室边界条件的选择极其重要。

调压室的型式多种多样，比如开敞式调压室、气垫式调压室等。在地下式水电站中，为减少调压室的高度和工程量，采用通气廊道将调压室与外界大气相连，因此调压室水位波动模拟同时涉及液相与气相。另外有一种能减小地下式水电站调压室工程量的方法，采用一面积较小的竖直连接管连接压力管道和调压室底部，由于竖直连接管面积小流速大，在数值模拟过程中则不能忽略竖直连接管内的水流惯性。

已有的调压室水位波动模拟方法主要有解析解法和数值解法。解析解法由于仅考虑简单调压室系统的水位波动，只能在诸多简化条件下单纯的计算水位波动，而不能与引水发电系统中机组等边界条件联合求解，在调压室设计中已经很少被采用。

调压室水位波动的数值解法有一维数值模拟法和三维数值模拟法。现有的一维数值模拟法中，把调压室当作蓄水池考虑，调压室内液体满足静压分布，不考虑水在调压室内的流动，忽略调压室边壁与水流间的摩擦阻力；然后，结合管道非恒定流基本方程和引水发电系统中边界条件模拟调压室内水位波动，一维数值模拟法的模拟过程中常常忽略气体管道对水位波动的影响。

三维数值模拟法更准确，采用三维数值模拟法不仅能获得一些宏的物理参数，比如调压室内水位波动随时间的变化规律、阻抗式调压室阻抗系数等，同时还能模拟诸如流场、漩涡等一维数值模拟法无法获得的微观现象。三维计数值模拟法能考虑调压室体型等复杂流道边界条件，并采用考虑了液相与气相间耦合作用的两相流模型。

现有的调压室水位波动的数值解法中，一维数值模拟法是假设调压室内水流满足静压分布，因此未考虑调压室内水流惯性，对于带有长连接管的调压室，连接管内水流惯性对水位波动和其他调保参数的影响非常明显，如不考虑调压室内水流惯性则会带来较大的计算误差，影响模拟准确性。另一方面，对于与通气廊道相连的调压室，一维数值模拟法忽略了通气廊道内气体流动对水位波动产生的影响，同时，已有的一维数值模拟法也不能准确模拟通气廊道内风速等重要参数。

三维数值模拟法虽然准确，但其计算一个工况所需时间很长，而所要计算的工况常常很多，因此在工程设计阶段完全采用三维数值模拟法并不现实；再者，由于水电站引水发电系统过渡过程的模拟包含水力-机械-电气三方面耦合，三维数值模拟法的优势在于流体方面，在机械控制、电气调节等方面还没有很好的模拟方法。因此对整个引水发电系统模拟时，三维数值模拟法存在一定局限性。

目前国内外对液相与气相耦合作用下的调压室水位波动的研究不多，传统模拟方法不能满足带通气廊道调压室的水位波动模拟需要。

发明内容

针对现有技术在模拟带通气廊道的调压室内水位波动时存在的不足，本发明利用液体管道非恒定流控制方程和气体管道非恒定流控制方程，提出了一种基于液相与气相耦合的调压室水位波动模拟方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

基于液相与气相耦合的调压室水位波动模拟方法，包括步骤：

步骤1，采用Pressimann空间四点隐格式分别离散液体管道非恒定流控制方程和气体管道非恒定流控制方程，获得对应的离散方程；