進水口前立軸旋渦水力特性的研究.pdf

1、立軸旋渦在水電站引水管道、導流隧洞、溢洪道、水泵站等進水口前時有發(fā)生。它的存在將惡化進口流態(tài)，降低過流能力，減少發(fā)電量，甚至造成水工建筑物的振動和空化破壞。研究立軸旋渦的水力特性，是認識和消除立軸旋渦的基礎。然而迄今為止，針對具體工程的試驗研究以及消渦措施較多，理論研究較為欠缺，數(shù)值模擬的研究還處于起步階段，研究成果難以滿足工程設計的需要，因此，迫切需要研究立軸旋渦水流現(xiàn)象。 本文從理論、試驗和數(shù)模三個方面，對立軸旋渦多圈螺旋流

2、和漏斗形自由水面等重要水力特性進行了探討。主要的研究內容和成果有： 1、引入可分離變量法的思想，認為立軸旋渦的水力特性既是徑向的函數(shù)，又是軸向的函數(shù)，克服了過去難以反映出軸向上變化的缺陷；并將方程化為數(shù)學上可解的一階擬線性偏微分方程，特征線法的引入，又轉化為常微分方程組聯(lián)解，推導出了速度的解析解以及水面線方程。以本文解析解為基礎，采用拉格朗日法計算描述出試驗中觀測到的立軸旋渦多圈螺旋流。 2、立軸旋渦屬強非線性的水、氣兩

3、相流問題，數(shù)值模擬的難度大，缺乏可供參考的成功算例。本文對結合VOF法的RNG和標準k-ε紊流模型進行了比選：通過流場紊動能、紊動耗散率和紊動粘性系數(shù)的模擬，分析了它們對立軸旋渦生成、發(fā)展的影響；結果表明：要模擬立軸旋渦運動這種高應變率、流線彎曲程度較高的水流現(xiàn)象，RNG較標準k-ε模型更為合適。 3、對各種復雜條件下形成的立軸旋渦進行了數(shù)值模擬研究。針對旋渦區(qū)尺度小，而物理量的梯度大；流場表現(xiàn)為螺旋形流線等特性，研究了有效的網(wǎng)

4、格劃分和數(shù)值求解方法，克服了VOF法模擬漏斗形自由水面的困難。 4、在軸對稱條件下，對理論、試驗和數(shù)模得出的速度分布進行了對比分析，證實了旋渦流場應為徑向和軸向的二元函數(shù)，三種方法得到的旋渦水面線基本吻合。 5、數(shù)值模擬的結果表明：底部進水口、非對稱來流條件下形成的立軸旋渦的渦軸為曲線，多圈螺旋流也相應表現(xiàn)為在空間中發(fā)生扭曲。側部出流時立軸旋渦不易穩(wěn)定；渦軸以及氣蕊在進水口附近發(fā)生彎曲，多圈螺旋流不僅扭曲，而且較為散亂；

5、在離開渦心一定距離后，平面流場不再表現(xiàn)為向心的螺旋線形流動；數(shù)值模擬的難度較底部進水口時困難得多。 6、以立軸旋渦速度和吸氣旋渦高度的理論分析為基礎，建立了立軸旋渦的形成和類型，與佛汝德數(shù)F、環(huán)量數(shù)N<,r>和淹沒水深S／D三個參數(shù)的關系式。制作了能改變進水口尺寸、型式、邊界條件和水流條件等影響立軸旋渦的試驗裝置，開展立軸旋渦形成、發(fā)展和變化的規(guī)律性研究，給出在底部和側部進水口條件下，臨界淹沒水深的經(jīng)驗公式。 本文提出用