矩形消力井射流紊动特性分析

对于深山峡谷区的水利枢纽工程,斜向进水矩形消力井的消能方案能够很好地适应狭窄地形条件,其消能效果与斜向入射水流的紊动及能量耗散直接相关。采用大涡模拟方法研究特定流量下矩形消力井射流的紊动特性,结果表明:射流方向淹没主流轴线区域主要表现为无旋运动,尺度不一、强度各异的旋转涡旋在水股周围富集(射流沿程相对涡量绝对值降幅为74%~92%)。射流前段涡旋强度较大,涡结构破碎,分布厚度较小;射流中段涡旋的分离及融合范围逐渐扩大,相邻涡旋区逐步嵌套成条状结构,涡旋强度明显降低;射流后段(偏折以后的潜射水流段)紊流涡进一步破碎、扭曲,并向周围扩散,涡旋强度进一步减小。射流紊动强度呈现明显的中心低、周围高的分布特点,射流周围紊动强度沿程分布具有一定的自相似性,射流前段和中段的水股周围紊动强度沿程逐渐增大(增幅为12%~14%),射流后段紊动强度在四周趋于均匀,但沿程逐渐减小(降幅约为28%)。射流紊动耗散主要分布在水股边缘剪切层区(动能衰减率达到83%~91%),射流前段紊动耗散不明显,携带动能仍较大,射流中段紊动耗散率沿程增大,射流后段紊动耗散逐渐趋弱。综上可知,射流涡旋及其与周围水体之间的能量交换是射流紊动耗散的主要原因,能量耗散主要发生于射流偏折前的中段区域,该段射流动能衰减超过60%。