进水池吸气涡控制方法

以进水池模型为研究对象,探索有效的吸气涡控制方法,基于计算流体动力学(CFD)技术,分析消波板与幕墙2种方法对吸气涡的抑制效果,并重点研究关键几何参数的影响.采用开源CFD软件OpenFOAM进行数值模拟,基于三方程的Bifurcation湍流模型求解湍流场以及CLSVOF方法捕捉气液交界面,从吸气涡形态、涡量、流线和出口吸气率等多角度对计算结果进行处理和对比分析.研究结果表明:深度为0.25 D 1的幕墙可以有效抑制进水池吸气涡,且吸气率可降低一半;随着幕墙深度增大,吸气率上升;参考海洋工程领域提出的消波板仅能推迟吸气涡的出现与发展,但无法起到抑制作用;在消波板中心位置和长度不变的情况下,改变消波板宽度均对吸气涡无明显抑制效果.研究结果可为进水池及相关工程设施优化设计提供一定的借鉴和参考.

开敞式进水池喇叭口悬空高度对吸气涡的影响

开敞式进水池是中小型泵站中重要的水工建筑,其在结构尺寸设计不合理时易出现空气吸入涡(air-en-trained vortex,简称吸气涡),严重时会发生空蚀,从而严重影响泵站安全稳定运行。在开敞式进水池中,喇叭口悬空高度C对进水池流动影响较大。本文根据泵站设计规范中给定的悬空高取值范围,采用简化的耦合水平集与流体体积方法(simple coupled level-set and volume-of-fluid method,S-CLSVOF)捕捉水气交界面,并基于分叉模型(bifurcation model,BM)进行数值模拟,分析了吸气涡随喇叭口悬空高度的变化规律,并从喇叭口处涡量及涡拟能的角度,分析了产生该规律的机理。结果表明:吸气涡的大小和进水管内相对吸气率β呈正相关,且平均相对吸气率在3×10^(-4)~7×10^(-4)之间;平均相对吸气率基本随悬空高度的增加呈下降趋势,但在C=0.35D(D为喇叭口直径)处出现突降的情况;每个方案涡量随时间的变化规律表明涡量可定量体现吸气涡的强度;通过对涡拟能输运方程中的分析,发现漩涡受到的拉伸作用决定了平均相对吸气率的变化规律,且与吸气率的变化规律一致,揭示了吸气率突降的机理。同时,分析研究结果发现,在设计进水池时,考虑到吸气涡程度与泵的安装,C=0.35D的悬空高度为最优选择。本文结论对进水池的设计具有指导意义。

基于三方程VLES模型的进水池吸气涡数值模拟

开敞式进水池在大流量、低水位情况下易出现表面涡,严重时将发展为吸气涡,影响泵站安全稳定运行。为准确模拟吸气涡流动结构,采用S-CLSVOF方法捕捉水气交界面,并基于混合RANS/LES方法中的VLES方法解析湍流场结构,分析了网格与计算时间对计算结果的影响,同时研究了VLES模型的特性。结果表明:VLES模型可以准确地预测吸气涡流场中的速度分布;不同网格数量级对速度分布与相对吸气率的变化规律影响较小,为降低计算资源消耗,网格数量级达到O(10^(6))即可;根据相对吸气率随时间的变化规律可判断吸气涡达到稳定的时刻,在该时刻之后计算10 s即满足相关标准的要求,进一步延长计算时间不改变吸气涡位置与相对吸气率的变化规律;在本算例中,VLES模型的解析度主要受湍流积分尺度的影响,在近壁面为RANS模式以降低近壁面网格要求,而在湍流核心区为混合RANS/LES以提高计算精度。