水工建筑物进水口立轴旋涡影响因素分析

水工建筑物进水口前贯穿性立轴旋涡会产生不同程度的不利影响,因其水力特性的特殊与复杂性,对立轴旋涡的研究多聚焦于单个具体工程,缺乏较为系统的分析与总结。文中回顾了立轴旋涡的理论研究,总结了来流条件、边界条件、临界淹没水深对立轴旋涡的影响,概述了多个工程计算临界淹没水深的经验公式,可为立轴旋涡的进一步理论研究与工程实践提供技术支撑。

立轴旋涡试验与数值模拟研究

采用模型试验和数值模拟相结合的方法对侧部孔口情况下立轴旋涡的水力特性进行了研究。通过摄像法得出了旋涡表面流体质点的运动轨迹、切向和轴向时均速度。采用RNGk-ε紊流模型对旋涡的三维流场进行了模拟,自由水面用VOF法追踪,控制方程用有限体积法求解,得出了旋涡的水气交界面、时均速度和粒子轨迹。试验观测到旋涡运动具有多圈螺旋流特性,数值模拟能够在一定程度上重现试验中的立轴旋涡,时均速度的计算值与实测值基本一致,粒子轨迹上半部的旋转直径和圈数与试验较为吻合。

进水口前立轴旋涡的数值模拟及消涡措施分析

原设计方案试验发现溢洪道进口产生串通旋涡,为消除有害旋涡,在环形堰口对称布置3个防涡墩,结果表明消涡效果良好,可有效降低堰上水位,增大流量系数。采用RNGk-ε紊流模型对有无防涡墩两种情况进行模拟,再现了漏斗状吸气旋涡,计算结果与测量数据吻合良好,验证了旋涡模拟的可行性。从环量的角度分析了防涡墩的消涡作用,发现旋涡的形成存在一个环量随时间递增的过程,而防涡墩的设置可大幅度减小水流环量。对旋涡稳定时水面环量和涡量的变化规律也进行了分析,随着半径的增大,环量相应增大,涡量则减小。

立轴旋涡多圈螺旋流场特性研究

为描述进水口前立轴旋涡多圈螺旋的流场特性,运用数值模拟、试验研究和理论公式3种方法。其中,数模采用VOF法追踪自由水面,试验中用有色颜料作为示踪介质,3个方向速度的理论公式中增加了随轴向的变化。结果表明,在轴对称条件下,对数模、理论计算的速度分布进行对比分析,证实了旋涡流场不仅是径向的函数,而且还是轴向的函数。运用数值模拟具有能模拟各种不同边界条件的优势,还对非对称来流条件下形成的立轴旋涡进行了模拟。

进水口前立轴旋涡的试验研究

通过分析旋涡形成的影响因素,建立了立轴旋涡的形成和类型,与佛汝德数、环量数和淹没水深三个参数的关系式.自制了能改变进水口尺寸、型式、边界条件和水流条件等影响立轴旋涡的实验装置.分析测得的试验结果,对底部和侧部两种进水口提供不同的系数,有利于针对实际工程中进水口的具体形式,作为估算临界淹没水深的参考.

立轴旋涡的环量分析

环量是形成立轴旋涡的主要影响因素,对环量进行定量分析,有助于进一步了解旋涡的生成规律和消除原因,目前这方面的研究成果不多。某工程溢洪道进口试验产生立轴旋涡,导致水位抬高,不能满足泄洪要求,通过设置防涡墩消除了旋涡;对这有无防涡墩两种情况进行数值模拟,分析环量的变化规律,计算和试验较为吻合。结果表明:串通旋涡稳定后,水面的环量随积分曲线半径增大而增大,水气交界面的环量则随高程降低而减小;旋涡形成过程中水面的环量逐渐增大,旋涡稳定后环量也基本不变;防涡墩的存在阻碍水流旋转,使得环量大幅度降低,可有效地消除立轴旋涡。

水工建筑物进水口前立轴旋涡的研究

结合平面螺旋流模型,通过简化N-S方程,分析了立轴旋涡运动的数学模型,并描绘了立轴旋涡的空间形态.研究了立轴旋涡运动状态的影响因素,特别是衡量主轴旋涡涡旋强度重要指标之一的速度环量.此外,结合立轴旋涡产生的条件,分析了进水口的设计原则.对于现有工程中存在的立轴旋涡,提出了运用防涡梁或垂直消涡格栅等结构物消除旋涡的方法.

侧向水平进水孔口立轴旋涡的试验研究

通过自制模型对侧向水平孔口的立轴旋涡进行基础试验研究。使用有色颜料追踪旋涡表面的质点运动,观测到其轨迹线为多圈螺旋流,并根据这一特性采用摄像法和图形处理技术对时均速度进行测量,与理论结果对比证明这种简单经济的方法是可行的。通过改变试验装置分析来流方向对旋涡的影响,表明进口轴线与来流方向之间的夹角过大是形成立轴旋涡的诱因之一。根据试验结果得出不同来流方向的临界淹没水深计算公式,并对公式进行推广,可作为设计时的参考依据。

侧向进水口立轴旋涡数值模拟

为了研究侧向进水口立轴旋涡的运动特性,以RNG模型为基础,引入VOF方法捕捉自由液面的变化,对立轴旋涡的形态及其运动轨迹进行了三维数值模拟,并对旋涡水面线和三维速度分布进行了分析。结果表明,侧向进水口前的旋涡是非对称的,其涡轴是一条空间曲线,旋涡下部在进水口的抽吸拉伸作用下发生扭曲。旋涡运动可分为三部分,第一部分水面线呈漏斗状,与对称旋涡类似,第二部分旋涡运动逐渐从竖向转为横向,第三部分为横向运动。在旋涡的上半部,轴向速度随着水深的增加而增大,当旋涡逐渐由竖向转为横向运动时,轴向速度逐渐减小直至为零。最大切向速度发生在淹没深度的52%处。

立轴漩涡多圈螺旋流速度分布的研究

本文引入分离变量法,研究了立轴旋涡的速度随径向、轴向的变化规律,并给出切向、径向和轴向速度的表达式。对立轴旋涡的多圈螺旋流现象,通过试验测量和速度分布计算两种方法进行了描述,二者定性一致。结果表明,立轴旋涡流场的切向速度占优,在流体质点从水面向下运动的过程中,围绕涡轴旋转十余圈,在进水口附近转为轴向流动。旋涡水面线的计算结果与实测值吻合较好。

阶梯-深潭结构旋涡辅助消能机理初探

阶梯-深潭系统的消能作用主要集中在深潭内,这是与深潭内水流的复杂流态有关的。梯上水流跌落深潭,与潭内水流发生碰撞,进而下切,引起旋滚、翻腾、紊动等一系列利于能量交换的现象。水流在深潭内经历急流向缓流转变的过程,能量随之被消刹在潭内,进而流向下游,达到消能的目的。在潭内复杂流态的分析上,旋涡的分析是具有代表性的,潭内无论出现横轴旋涡或者立轴旋涡,从它们与潭内水流翻滚摩擦以及旋涡间互相影响的角度来说,都是有利于消能的。

三峡水库蓄水期高水位下泄洪设施运用方式优化

针对三峡水库试验蓄水期高水位条件下深孔泄洪时坝前出现立轴旋涡和深孔泄槽水流流态不稳定等问题,以改善坝前水流流态、提高泄洪设施运用的安全性为目标,采用模型试验和数值模拟计算相结合的方法,开展了大比尺深孔泄槽水流紊动特性模型试验、坝前流场及旋涡数值模拟分析、泄洪调度优化模型试验。研究结果表明:坝前立轴旋涡是由上游斜向进流和深孔泄洪共同作用形成的,坝前旋涡为表面旋涡;水流斜向进流会加大深孔泄槽水流掺气空腔的摆幅和水流紊动强度,引起水体间歇性抬升;高水位时运用深孔泄洪,应保持坝前正向进流条件;运用表孔泄流可起到改善坝前流场和消除旋涡的作用。在三峡水库蓄水期,水位170 m以上采用先开启表孔、后开启深孔泄洪的泄洪调度方式是可行的。

水电站进水口水流流态的研究

针对某水电站在前期研究中进水口出现间歇性吸气旋涡,本文对进水口修改后的水流流态进行了研究。计算采用κ-ε紊流模型模拟原型比尺的进水口流场,并与按重力相似准则设计的1:50的模型试验进行了对比分析,结果表明:修改后进水口前缘仅存在表面回流,速度环量在回流区从外到内衰减较快,不具备形成立轴旋涡的条件;喇叭形进口段的水流顺畅、进水匀称。本文的研究结果可应用于相关工程。

竖式进水口消涡措施试验研究

针对车马碧水库竖式进水口处出现的立轴旋涡,利用水工模型试验,研究了进口水流流速以及淹没深度对该旋涡的影响,根据研究成果提出修建专门消涡建筑物消除旋涡的方案;结果表明:通过在竖式进水口周围设置12个消涡墩以及在进水口上方设置一消涡盖板组成消涡亭的方式实现在不影响泄流能力以及不过多增加工程量的基础上有效消除竖式进水口处的立轴旋涡的目的。研究成果可为竖式进水口消涡措施的布置提供参考。

低水头有压竖式进水口体型设计与模型试验研究

以车马碧水库工程泄洪放空隧洞进水口的设计过程为例,研究了低水头情况下有压竖式进水口布置的可行性,对多组不同体型的进水口及消涡设施组合进行了模型试验验证。通过建立合理的试验模型,分析各方案竖式进水口的流态、泄流能力及沿程压力分布,最终得到既能有效控制进水口立轴旋涡、流态稳定、节省工程投资又易于施工的结构布置方案。研究过程可为其他工程低水头有压竖式进水口的体型设计、消涡设施设计提供思路和参考。

岸边导流底孔水力特性模型试验研究

基于老挝南俄4水电站的岸边导流底孔,采用1∶45的水工模型对进口立轴旋涡、洞身明满流交替、动水压力等水力特性进行了11个库水位下的系列研究。结果表明:进口闸门井顶部不加盖泄流能力相对加盖降低6%以上,闸门井需加盖封堵;局部水位区间的立轴旋涡会减小底孔10.97%的设计泄流能力,底孔整体泄流能力满足要求;相比进水口无涡时,脉动压力均方根增大约2~3倍,但不会引起泄洪振动等导流建筑安全问题,工程的实际运行效果与模型试验吻合。我国现有标准下的导流设计能满足国外工程的导流安全需求,可为国外工程类似导流设计与运行提供借鉴。