進水口漩渦形成機理及縮尺效應(yīng).pdf

1、進水口漩渦現(xiàn)象很普遍，如水電站、水泵站、通航船閘、調(diào)節(jié)流量水位的建筑物及核電站的中央應(yīng)急冷卻系統(tǒng)的集水井等建筑的進水口處容易產(chǎn)生。漩渦的運動形態(tài)極為復(fù)雜，有大尺度的準(zhǔn)穩(wěn)定性漩渦和小尺度的隨機出現(xiàn)的漩渦，兩種漩渦中又分別存在表面凹陷漩渦、間歇吸氣和貫通吸氣漩渦等運動形態(tài)。當(dāng)漩渦轉(zhuǎn)變?yōu)樨炌ㄐ晕鼩怃鰷u時，對工程結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生危害。如減少進流量、降低流量系數(shù)；引起機組或結(jié)構(gòu)物的振動；降低機組效率；卷吸漂浮物、堵塞或損壞攔污柵等。目前針對具體工程項目

2、的試驗研究多，但規(guī)律性的研究和探討漩渦的形成機理的基礎(chǔ)理論研究較為欠缺；關(guān)于進水口漩渦試驗的縮尺效應(yīng)尚未有統(tǒng)一的觀點；三維數(shù)值模擬的研究也很少。本文通過理論分析、模型試驗以及數(shù)值模擬對水電站進水口漩渦的形成機理和縮尺效應(yīng)進行了研究。 ⑴進水口準(zhǔn)穩(wěn)定性漩渦形成機理的理論分析。討論了渦管的扭曲變形對渦量的影響，并對實際流體中側(cè)式和底部孔口的漩渦的拉伸原因作了解釋，依據(jù)紊流復(fù)合渦模型和能量級聯(lián)結(jié)構(gòu)，分析水面漩渦的能量平衡過程以及準(zhǔn)穩(wěn)定

3、性漩渦的形成演變過程。 ⑵進水口隨機出現(xiàn)的吸氣漩渦的試驗研究。通過水槽試驗，考慮來流邊界的時均流速分布、紊動強度、水面波動強度以及進水口周邊脈動壓力等，對進水口隨機出現(xiàn)的吸氣漩渦的特征和影響因素進行研究。結(jié)果表明：進水口附近水面隨機出現(xiàn)的吸氣漩渦數(shù)量的歷時過程具有和紊流相似的“擬序結(jié)構(gòu)”特性。 ⑶以隨機出現(xiàn)的吸氣漩渦的試驗研究為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)代紊流理論中的紊流擬序結(jié)構(gòu)的概念，對進水口漩渦的形成機理進行分析。結(jié)果表明：來流邊

4、界的水流紊動顯現(xiàn)的水面微波是進水口附近隨機出現(xiàn)的漩渦的誘因。 ⑷通過系列模型試驗研究了側(cè)式進水口漩渦的縮尺效應(yīng)。得到不同縮尺下漩渦類型與佛汝德數(shù)Fr及雷諾數(shù)Re關(guān)系，分析了可能引起縮尺效應(yīng)的原因。在一定幾何邊界條件下，建立了為消除縮尺效應(yīng)而增加的流量倍數(shù)與淹沒水深和模型縮尺的定量關(guān)系，對現(xiàn)有進水口漩渦的模型設(shè)計與試驗方法進行了改進。 ⑸結(jié)合VOF法的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和Relizablek-ε模型分別對底部