（水力学及河流动力学专业论文）进水口漩涡形成机理及缩尺效应.pdf

中文摘要 进水口漩涡现象很普遍，如水电站、水泵站、通航船闸、调节流量水位的建 筑物及核电站的中央应急冷却系统的集水井等建筑的进水口处容易产生。漩涡的 运动形态极为复杂，有大尺度的准稳定性漩涡和小尺度的随机出现的漩涡，两种 漩涡中又分别存在表面凹陷漩涡、间歇吸气和贯通吸气漩涡等运动形态。 当漩涡转变为贯通性吸气漩涡时，对工程结构会产生危害。如减少进流量、 降低流量系数；引起机组或结构物的振动；降低机组效率；卷吸漂浮物、堵塞或 损坏拦污栅等。目前针对具体工程项目的试验研究多，但规律性的研究和探讨漩 涡的形成机理的基础理论研究较为欠缺；关于进水口漩涡试验的缩尺效应尚未有 统一的观点；三维数值模拟的研究也很少。因此，本文通过理论分析、模型试验 以及数值模拟对水电站进水口漩涡的形成机理和缩尺效应进行了研究。 ( 1 ) 进水口准稳定性漩涡形成机理的理论分析。讨论了涡管的扭曲变形对涡 量的影响，并对实际流体中侧式和底部孔口的漩涡的拉伸原因作了解释，依据紊 流复合涡模型和能量级联结构，分析水面漩涡的能量平衡过程以及准稳定性漩涡 的形成演变过程。 ( 2 ) 进水口随机出现的吸气漩涡的试验研究。通过水槽试验，考虑来流边界 的时均流速分布、紊动强度、水面波动强度以及进水口周边脉动压力等，对进水 口随机出现的吸气漩涡的特征和影响因素进行研究。结果表明：进水口附近水面 随机出现的吸气漩涡数量的历时过程具有和紊流相似的“拟序结构”特性。 ( 3 ) 以随机出现的吸气漩涡的试验研究为基础，采用现代紊流理论中的紊流 拟序结构的概念，对进水口漩涡的形成机理进行分析。结果表明：来流边界的水 流紊动显现的水面微波是进水口附近随机出现的漩涡的诱因。 ( 4 ) 通过系列模型试验研究了侧式进水口漩涡的缩尺效应。得到不同缩尺下 漩涡类型与佛汝德数f r 及雷诺数r e 关系，分析了可能引起缩尺效应的原因。在 一定几何边界条件下，建立了为消除缩尺效应而增加的流量倍数与淹没水深和模 型缩尺的定量关系，对现有进水口漩涡的模型设计与试验方法进行了改进。 ( 5 ) 结合v o f 法的标准k 一占模型、r n g k 一占模型和r e l i z a b l e k 一模型分别 对底部进水口漩涡进行数值模拟，并分析比较三种模型结果。结果表明：r n g k 一占 模型考虑了紊流中涡流因素的影响，计算精度良好，模拟漩涡流场具有优越性， 是三种模型中较适于进水口漩涡流场数值仿真计算的紊流模型。将优选后的 r n g k 一占模型应用于实际工程，对进水口低水位运行时漩涡的变化和进水口周围 的流场进行了数值模拟，数值模拟结果和试验吻合较好。 关键词：进水口；准稳定漩涡；随机漩涡；形成机理；拟序结构；缩尺效应； 试验研究；数值模拟 本项目得到国家自然科学基金资助( 5 0 5 7 9 0 4 8 ) a b s t r a c t t h ev o r t e xh a v e b e e n o b s e r v e d f r e q u e n t l y a t h y d r a u l i c i n t a k e ss u c ha s h y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n ，p u m p s ，n a v i g a t i o nl o c k s ，f l o wa n dl e v e lr e g u l a t i o na n d w i t h d r a w a lf r o ms u m p si ne m e r g e n c yc o r ec o o l i n gs y s t e m s ( e c c s ) o fn u c l e a r p o w e rs t a t i o n s m o v e m e n tf o r m so fv o r t e xa r ec o m p l i c a t e di n c l u d i n gl a r g e - s c a l e q u a s i s t a b i l i t yv o r t e xa n ds m a l l s c a l es t o c h a s t i cv o r t e x t h e s et w ok i n d so fv o r t e x c o u l db eg e n e r a l l yc l a s s i f i e da ss u r f a c ed i m p l e ，v o r t e xp u l l i n ga i rb u b b l e st oi n t a k e a n df u l la i r - c o r et oi n t a k e ， t h ep r e s e n c eo fa i r - c o r e1 v o r t e xa ta ni n t a k ec a nc a u s ed i s c h a r g er e d u c t i o n i n c r e a s et h ef l u c t u a t i o no fh y d r a u l i cs t r u c t u r e ，r e d u c ep u m p i n ge f f i c i e n c y , a n di n e x t r e m ec a s e s ，c o m p l e t e l yd i s a b l et h ei n t a k e d e s p i t et h eu n i v e r s a lf a m i l i a r i t yo ft h e p r o b l e m ，e x i s t i n gl i t e r a t u r ep r o v i d e s l i t t l eo nt h ed e t a i l e dm e c h a n i c so fv o r t e x f o r m a t i o na n dm a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n n oa g r e e m e n th a sb e e nr e a c h e dr e f e r r i n gt o t h es c a l ee f f e c t so nm o d e l i n gv o r t e x a na n a l y t i c a l ，c o m p u t a t i o n a l ，a n de x p e r i m e n t a l s t u d yw a sc o n d u c t e dt od e s c r i b ef o r m a t i o nm e c h a n i s m s a n ds c a l ee f f e c t so fv o r t e xa t h y d r a u l i ci n t a k e s t h ep r i n c i p a lc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fq u a s i s t a b i l i t yv o r t e xa ti n t a k e sw a sc o m p l e t e d t h er e a s o nf o rv o r t e xs t r e t c h i n ga tt h eb o t t o ma n dt h es i d ei n t a k e sw a se x p l a i n e d a c c o r d i n gt or a n k i n e sc o m b i n e dv o r t e xm o d e la n dc a s c a d es t r u c t u r eo fe n e r g y , f r e e s u r f a c ev o r t e x e n e r g y - b a l a n c ep r o c e s sa n dt h eq u a s i s t a b i l i t y v o r t e x f o r m i n g ， d e v e l o p i n ga n dv a r y i n gw e r ep r o b e d ( 2 ) a ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dw i t ht u r b u l e n ts t r e n g t hd i s t r i b u t i o n ，w a v e h e i g h ta n df l u c t u a t i n gp r e s s u r ea ti n f l o ws e c t i o nt os t u d ym e c h a n i c so fs t o c h a s t i c v o r t e xf o r m a t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d yo ff l u m es h o w st h a tt h ev a r i a t i o no ft h en u m b e r o fs t o c h a s t i cv o r t e xw i t h t i m ei nt h ei n t a k eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u r b u l e n t c o h e r e n ts t r u c t u r e s ( 3 ) b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , f o r m a t i o nm e c h a n i z e so fs t o c h a s t i cv o r t e x w a sc o m p l e t e d i ti si n d i c a t e dt h a ts t o c h a s t i cv o r t e xn e a rt h ei n t a k ea r ec a u s e db y s h o r t p e r i o dw a v ei n d u c e db yt u r b u l e n ts t r e n g t ho nt h ew a t e rs u r f a c e ( 4 ) e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e du s i n gs e r i a lm o d e l so fs c a l el ：1 ，1 ：2 ，1 ：4t 0 拳t h i sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o ：5 0 5 7 9 0 4 8 ) d e t e r m i n ew h e t h e rs c a l ee f f e c t sd i s t o r tt h ep r e d i c t i v ea b i l i t yo fh y d r a u l i cm o d e l s t h e r e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e nt h ef o r m e dt y p eo fv e r t i c a lv o r t e xa n dt h ei n t a k ef r o u d e n u m b e ra n dr e y n o l d sn u m b e ri sf o u n d e d o nt h ec e r t a i n g e o m e t r i cb o u n d a r y c o n d i t i o n s ，t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o wi n c r e a s i n gt oo v e r c o m es c a l e e f f e c t sa n ds u b m e r g e n c ea n dm o d e ls c a l e sw a sp r o v i d e d ( 5 ) t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fs t a n d a r dk s ，r n g k 一占a n dr e l i z a b l ek 一占 t u r b u l e n tm o d e l sw i t hv o fm o d e la r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr n gk 一占 m o d e li sm o r es u i t a b l et h a ns t a n d a r dk sa n dr e l i z a b l ek 一占m o d e lf o rt h ev o r t e xa s t h er a p i d l ys t r a i n e da n dt h eg r e a tc u r v i n gs t r e a m l i n ef l o w s t h er n gk g - a r ea p p l i e d i na na c t u a lp r o j e c tt os i m u l a t et h ec h a n g eo ff r e es u r f a c ew i t ht h er e s e r v o i rl e v e l u n d e rt h ep u m p i n gc o n d i t i o na n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s t h es i m u l a t e dr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：h y d r a u l i ci n t a k e s ；s t o c h a s t i cv o r t e x ；q u a s i - s t a b i l i t yv o r t e x ； f o r m a t i o nm e c h a n i s m s ；c o h e r e n ts t r u c t u r e ；s c a l ee f f e c t s ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ； m a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：辛弋妓 签字日期：2 0 0 8 月l 白 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文仟者签名：杜龟太 签字日期：如秀年6 月f 日 导师繇l 未争子 导师签名：l 乒7 哥 签字日期： d 8 年6 月f 日 天津丈学博士学位论文 第一章绪论 问题的提出 第一章绪论 在自然界和工程中，漩涡无处不在。小到涡结构尺度为i o c m 的液氮中的量 子涡，大到银河的漩涡星系( 图i - i ( a ) 所示) ，其尺度可达若干光年甚至上千 光年量级，还有尺度分剐是00 1 m 的盆池涡、3 m 的尘卷、5 0 m 的龙卷风( 见图 卜l ( b ) ) 、3 0 0 0 k m 的海洋环流等都是典型的漩涡运动。漩涡运动是一种非常 复杂的流体运动形式，其固有非定常性和非线性的复杂机制，又因它对自然界的 探索和工程应用有重要的意义，多年来漩涡问题一直是流体力学理论和应用研究 中具有挑战性的常盛不衰的研究前沿。 ( a ) 漩涡星系 图i - i 涟涡 ( b ) 龙卷风 进水口漩涡现象很普遍，如水电站、水泵站、通航船闸、调节流量水位的建 筑物及核电站的中央应急冷却系统的集水井等建筑的进水口处等容易产生漩涡， 而且漩涡的运动规律很复杂。水工建筑物进水口漩涡的危害体现为：减少进流量、 降低流量系数；引起机组或结构物的振动；降低机组效率，强烈的吸气漩涡可减 天津大学博士学位论文第一章绪论 少机组8 0 的效率；卷吸漂浮物、堵塞或损坏拦污栅等。我国4 8 座水电站中， 有3 3 座占6 9 的水电站进水口，前缘水域发生过漩涡。如黄坛口水电站由于岸 边地形条件，岸式进水口前缘水域形成大面积回流区，并出现漏斗状漩涡1 1 】。 国际大坝会议把进水口漩涡问题作为一个水力学问题提出来，可见进水口漩 涡研究的重要性【2 j 。水工模型试验作为漩涡的主要研究手段，发挥了重要作用， 但模型试验成果可否按重力相似准则定律引伸到原型，二直是备受关注的问题， 至今还没有令人信服的研究结果。纵观现有的研究发现：针对具体工程项目的试 验研究多，提出的实用措施多，但规律性的研究和探讨漩涡的形成机理的基础理 论研究较为欠缺；关于进水口漩涡试验的缩尺效应尚未有统一的观点；数值模拟 的研究很少。所以，随着我国高水头大坝和抽水蓄能电站的建设，研究水工建筑 物进水口漩涡形成的主要影响因素，完善其形成机理，研究水工模型试验中模型 缩尺对漩涡的影响，进行数值模拟研究，具有很强的实用价值和广泛的应用前景。 1 2 水面漩涡的分类 室内模型试验【3 j 和原型观测【4 】都表明在进水i s l 上方水面上都可能会发生具有 准稳定性的水面漩涡和随机出现的水面漩涡。 准稳定性的水面漩涡是指在进水口上方发生的与进水口尺寸量级相近的大 尺度水面漩涡。在水位和流量变化时，漩涡的形态将发生变化，可以分为不同漩 涡类型。 随机出现的漩涡是在一定的水流条件下发生，漩涡尺度远比稳定性漩涡小， 可以单个或成群的出现，涡的持续时间短，紧靠进水口上方，但位置不固定，具 有明显的随机性，并存在涡群的高发期和低发期的拟序特性。 从工程的观点出发，进水口形成的漩涡，一般分为自由表面漩涡、水下漩涡 和管道螺漩涡三种，其中自由表面漩涡对工程影响较大，通常是关注的重点1 5 j 。 美国a l d e n 实验研究室根据实验观察到的现象，将自由表面漩涡依其强弱分为以 下六种类型1 6 1 ( h e c k e r ，1 9 8 7 ，表1 1 ) ：如表1 1 中l 和2 型近于无漩涡，不会引 起危害，允许存在；3 和4 型为弱漩涡， 害一般不严重，实际中应努力防止出现； 的后果，工程中通常不允许出现。 对机组与建筑物会产生一定作用，但危 5 和6 型属于强漩涡，可能引起较严重 根据漩涡运动时角速度矢量是否为零，可分为自由涡运动和强迫涡运动两大 类。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 型 2 型 3 型 4 型 5 型 6 型 表面涡纹表面不下凹，水流旋转不明显或十分微弱 表面凹陷涡表面微凹，水面之下有浅层的缓慢旋 转流体，但未向下延伸 染料核涡表面下陷，将颜色水注入其中时，可见 染色水体形成明显的漏斗状旋转水柱进入取水口 寻、，一 挟物漩涡表面下陷明显，杂物落入漩涡后，会随 v 漩涡旋转下沉并吸入取水1 2 1 内，但没有空气吸入 躺 馐 t 间歇吸气涡表面下陷较深，漩涡间断地挟带气泡 进入取水口 连续吸气漩涡中心为贯通的漏斗形气柱，空气连 续进入取水口 1 3 进水口漩涡的危害 当进水口进流时，随水流进入进水口的吸气漩涡将对水工建筑物和水力机组 产生下述一系列的危害： ( 1 ) 降低进水口的泄流能力 吸气漩涡进入进水口时，即增加了水流阻力又缩减了过水面积，因此，必然 降低泄流能力，导致流量减小。试验资料表明：当进水口前出现串通的吸气漩涡 时，可使泄流能力减小2 3 t 7 - 8 1 。p o s e y 9 1 等认为吸气漩涡的存在使得进水口的过流 能力降低高达8 0 。此外，为了避免漩涡引起的各种问题，有时不得不在较小流 量下进行，如美国的托姆索克与马蒂朗两座抽水蓄能电站，在上池水位较低时， 为避免漩涡的危害，均被迫将过机流量减少一半运行。 莩 天津大学博士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 加剧水流脉动，引起机组和结构物的振动 吸气漩涡的发生必然加剧水流的脉动，产生强烈的脉动压力，给进水口附近 的附属结构增加额外的脉动荷载，甚至会激起进水塔或闸门等结构发生振动，同 时降低空化数，加大了水工建筑物和水电设备空蚀破坏的可能性。例如印度的 r a m a g a n g a 工程的进水1 ：3 进流时，进水口前形成的强烈吸气涡，导致附近小山包 也有振动感。南朝鲜高丽核电站导致变速器失事。 ( 3 ) 降低水力机组效率 水轮机的设计工况假定入流是轴向、均匀的。漩涡挟带的空气及形成的螺旋 流动，将使机组设备处于非设计条件下运行，从而导致效率的降低。一般而言， 当上游输水道较短时，漩涡对机组的效率影响较大。d e n n y 的试验表明，对离心 泵而言，吸气量为1 ( 体积比) 时，离心泵抽水效率将下降1 5 。 ( 4 ) 卷吸飘浮物，导致进水口堵塞或拦污栅破坏 吸气漩涡具有强烈的下曳力，漂浮在水面上的物体一旦卷入漩涡，即被吸入 进水口。如果进水口前设有拦污栅，则漂浮物集聚在拦污栅上，积久成多，甚至 可能堵塞进水口。例如，印度b e a s 坝，隧洞进水口在不利进流条件下形成的漩 涡损坏了格栅。 因此，预报和防止进水口漩涡( 特别是吸气漩涡) 显得十分重要。 1 4 漩涡的研究成果综述 随着世界各国水利水电工程建设的发展，进水口漩涡问题引起了各国专家学 者的关注，为解决漩涡问题进行了大量工作。其中模型试验以针对某一具体工程 研究较多，但所得结论通常由于边界条件的复杂多变而缺少一般性，理论分析和 数值模拟至今进展不大。 由于数学和流体力学的发展，建立了描述实际流体运动规律的n s 方程。但 由于漩涡运动是有旋的，不存在速度势，也不存在拉格朗日积分，求解二阶非线 性偏微分方程组存在一定的难度，不得不做出大量的假定。由于这些假定与实际 情况出入较大，同时又忽略了自由水面这一较为重要的边界条件，得出了一定程 度上的近似解。 经过了多年的努力，对于进水口前漩涡的研究取得了一些有价值的研究成 果，这些成果也为今后的研究工作奠定了基础。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 4 1 漩涡的影晌因素 1 4 1 1 进水口临界淹没水深 试验研究表明，一般在边界条件、来流 条件和运行条件一定时，存在一个下限水深， 低于这个界限水深，就会有一定强度的漩涡 发生，这个界限水深就叫临界淹没水深，记 为s c 。由于进水口条件非常复杂，所以确定 各种条件下的s c 是很困难的。不少学者提出 各自的研究成果，以下对常用的几个公式做 一总结。图1 2 为侧式进水口示意图。 ( 1 ) 以弗汝德数表示的公式 r 图1 2 侧式进水口示意图 戈登( j l g o r d o n ) 根据2 9 个常规电站取水1 2 1 的原型观测资料得到经验 公式： 导：册+ o 5 d - 1 ) 式中：d 为门高；s 是从门顶算起的淹没深度；1 ，是闸门处水流流速；c 是系数， 正向引水取c = 0 5 5 ，侧向取水时c = 0 7 3 。我国水电站进水1 2 1 设计规范中采 用的公式就是戈登公式。将式( 1 1 ) 无量纲化 等- - - - c 石者= k f r ( 1 - 2 ) 式中：f r = 面，g 为重力加速度，k = c 、i l g 为比例因数。 p e n n i n o 掣1 1 1 根据1 2 个抽水蓄能电站进水口( 侧式与井式) 的模型试验资料， 得n - i 曼：0 5 曼幺9 厅： ( 1 。3 ) ld g u l l i v e r 等1 2 1 根据5 7 个工程资料统计，认为侧式进水1 3 在满足下列条件下， 很少发生吸气漩涡， 善：o 5 + 0 4 乃( 1 - 4 ) 式中：f r 0 5 。 马吉明【1 3 】通过试验得到类似g o r d o n 公式形式的经验公式( 正向取水口) ： 二s ：2 3 8 8 f r 一0 0 1 ：脚一0 0 1 3 8 8 f r00 100 1 ( 1 5 ) 二= 一= 碰7 一( - 5 ) 式中：乃= o 3 o 6 ，k = 2 3 8 8 。 天津大学博士学位论文 第一章绪论 y r r e d d y 和j a p i c k f o r d 1 4 】提出的经验公式： s 。= f r x a( 1 - 6 ) 式中：s 为进水1 2 1 喇叭口以上淹没水深( m ) ；a 为进水1 2 1 喇叭口的直径( m ) 。 ( 2 ) 以环量数表示的公式 何学民【l5 】在试验装置中对进水1 2 1 吸气漩涡发生规律进行了研究，得到经验公 式： 导= o 5 f r n 5 5 + f r 2 儿n l 2 乃 ( 1 - 7 ) 式中：n l = f s 。q ，q 为来流量。 o d g a a r d l l 6 1 忽略表面张力的作用得到： 导= 0 2 4 1 4 r e n 2 5 n l 0 - 5 f r 0 5 ( 1 - 8 ) d a g g e r e l l 刀得到的临界淹没水深公式为： 刮圻焉涮。5 酣一r e 5 5 x 1 0 1 0 4 。( 1 - 9 )了一1丽1 0 5 r e 5 1 0 4 以上研究成果可以看出各家方法计算所得结果差别较大，对于包含有环量参 数的试验关系式，在机理的分析和认识上是有意义的，但实用价值较为有限。目 前大多还是采用以f r 表示的公式。 1 4 1 2 边界条件 进水口前漩涡的形成还与进水口形式和来流条件有关。 ( 1 ) 进水口型式 1 ) 胸墙型式 夏毓常掣博j 对四种不同进水口进行漩涡特性试验，进水1 2 1 布置如图1 3 。进 水口i 向上游伸出一段距离，进水口i i 和为不同坡度的后倾式胸墙。布置i 、 i i 和的进水口上游是伸出一段距离或为平坦的斜坡，易产生逆向回流及回转水 流。从而发展成为各种形态的漩涡，i i 和情况接近，由于来流基本对称，垂 直胸墙前不发生逆向流及回转水流，所以不易形成漩涡。 卢永金【19 】研究了进水1 2 1 上的胸墙对漩涡的影响，试验在宽7 c m ，长3 0 c m ， 深6 0 c m ，水平底板的玻璃槽中进行。进水口为矩形，底边为槽底，其高为7 5 c m 。 进水口上的胸墙迎水坡度是可变的( 图1 4 ) 。在坡角是5 5 。和7 0 。之间，涡强的 变化较大。小于5 5 。时涡较强，大于7 0 。时涡较弱，在小于5 5 。或大于7 0 。时改变 坡角对漩涡的影响甚小，每一坡度下发生相对最强漩涡的水深不随开度变，但随 坡角的增加而增加。这个在工程上的实践意义就是：为了防涡，没必要把原可设 天津大学博士学位论文第一章绪论 计成7 0 。左右的迎水坡，改为垂直面，同理，为了减弱漩涡，也没必要把3 0 。左 右的迎水坡增大，这样做的效果不大。 麓赢口，爵一 图i - 3 进水口模型布置图( 单位：c m ) 。， c ) 栈 琳 乒伽r 一 。 ，- ，y 一一一，一，一，一，| ， lini i ， 生 口口卫 i 厶 8 0己0 图1 - 4 模型试验布置 朱卫副2 0 1 为了研究引水面坡度变化对漩涡的影响，采用了可旋的引水面倾斜 挡板。表明：引水面坡度越陡，越不容易形成漩涡。主要原因是：由于坡度增加， 使得进水口前的“死水区”减小，降低了漩涡生成的机会。 进水口一般有后倾式胸墙、垂直胸墙和胸墙向上游伸出一段距离三种型式。 对于后倾式胸墙( 图i - 5 a ) ，坡度越陡，越不容易形成漩涡，在坡角是5 5 。和7 0 。 天津大学博士学位论文第一章绪论 之间，涡强的变化较大，小于5 5 。时涡较强，大于7 0 。时涡较弱；对于垂直胸墙 ( 图1 5 b ) ，漩涡不易发生；进水口上胸墙向上游伸出一段距离( 图1 5 c ) ，能 抑制来流使之平顺，阻止漩涡的发生。 一1 厂= 7 r lf 。” 、+ ：，；，；，：；：，f 7 7 7 7 7 7 ：7 二7 5 7 7 7 7 7 ( a ) 后倾式胸墙 c 、 ：j 1 ；fl 匕二己z 芝 一 f 了7 7 z z 7 _ 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 ：万7 7 7 7 7 ( b ) 垂直胸墙 图1 5 胸墙型式 。竖 _ = ；。 ： 盎 套 b 时，来流方向的变化 对漩涡的形成不起作用，相当于无导叶的情况。 l 一一= = 、_ j 、_ 五i 一 0 ，竺 一 ，0 ，7 - 厂、【。 立? 苦 三三受鬯三 = , q ：y r b 图1 7 导叶状态 卢永金【1 9 i 研究了孔口相对水槽不对称位置( 图1 8 ) 下来流对漩涡的影响。 底孔不对称导致水面旋转范围明显大于对称时的水面旋转范围，但吸气情况 并无明显增强。 3l51 三 ：三： ! 皇 ：里一 图1 8 孔口与水槽的相对位置 当来流流向和孔口轴线交角过大，即有偏流时，使每股水流在进水口前形成 的绕同一轴的转动力矩最大时，最容易形成漩涡。因此，尽量使来流平顺，对称。 1 4 1 3 环量 文献 1 8 1 1 2 1 2 4 都对漩涡的速度与环量做过研究。一般认为切向速度沿水深 不变，仅在近底板处有显著变化。存在一个r 2 ( r 2 r 2 时，“口o c r ；还存在一个r j ( 0 r 2 ) ，在0 r 区域内“护o c 厂； 天津大学博士学位论文 第一章绪论 而在 1 时，科氏力可以不必考虑：当r o 1 时，旋转效应起主要作用。 当r 。l 时，科氏力与惯性力量级基本相同，此时科氏力将与其它作用耦合到一 起，使流体呈现出复杂多变的流态。 对于水利工程进水口前的漩涡，其空间特征尺度不大而且流速较高，r o 的 量级接近于1 ，此时科氏力对漩涡有一定作用。格拉维认为科氏力是引起水流漩 涡运动的主要原因。在初始环量极小，水流非常平静的条件下，科氏力作为一种 “偏向力”可能成为旋涡起动的诱因。但这并不适合于解释实际工程中的漩涡现 象，因为按照格拉维的说法科氏力是引起漩涡的主要原因，则发生在北半球的漩 涡就应该沿逆时针方向旋转，而这个结论不符合实际情况。王水田【3 3 】曾反复在水 电站进水口模型和原型观测中观测漩涡，发现漩涡的旋转方向并不是始终如一， 而是随机的，时而顺时针，时而逆时针。作者在后文的试验中也发现，漩涡的方 向是随机的。所以，科氏力对水流的漩涡运动虽有一定影响，但不是所有情况下 都起主导作用。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 4 2 缩尺效应 水工模型试验作为主要研究手段【3 4 。37 1 ，发挥了重要作用。但是，它存在从模 型试验成果引伸至原型时可能出现的“失真”，即“缩尺效应 的问题。缩尺效 应指由于采用仅按主要支配力相似律而忽略其他作用力相似的模型而产生的误 差1 3 8 。当所有控制作用力不可能按同一倍数缩小时，缩尺效应就会发生。缩尺效 应的发生，使得原型的情况可能比模型预测的结果要恶化p 9 4 1 1 。因此，缩尺效应 影响着由水工模型试验预测漩涡严重程度的可靠性。 1 4 2 1 模型相似准则的选取 模型要同时满足重力、黏滞力、表面张力等作用力相似是非常困难的，应正 确确定主要的作用力，合理地选取相似准则，使得模型能最大程度的模拟原型。 ( 1 ) 重力的影响 进水口的漩涡运动是一种源于自由表面的流动现象，主要作用力是重力，因 此模型应首先满足重力相似，并保证几何相似。模型试验应按佛汝德数f r 相似 准则设计【4 2 】。 ( 2 ) 黏滞力的影响 黏滞力可用雷诺数r e 反映。当r e 超过临界雷诺数时，黏性作用影响可忽略。 福原华一【3 】提出掺气漩涡的雷诺数临界值，水平进水1 2 1r e = q v s 2 1 0 4 ( q 为流量，为运动黏滞系数，s 为孔口中心淹没深度) ，垂直进水口 r e = q v d 4 1 0 4 ( d 为底部孔口直径) 。d a g g e a 等【4 】用不同黏性的流体( 水 和甘油的混合液、不同种类的油) 在圆筒中做试验，得出流量系数c 与r e 的关 系，当模型管道r e = u d y 3 1 0 4 ( u 为孔口流速) ，c 仅是环量数的函数，黏 性可以不用考虑。a m p h l e t t 5 】认为，可以将r e = q v s 3 1 0 4 作为水平取水1 2 1 不 受缩尺效应影响的界线。j a i n 等【6 】在底孔出流的圆筒中用不同黏性的流体进行试 验，发现当n v = g d d 少= r e 乃5 1 0 4 ，产生的间歇吸气漩涡的临界淹没水 深与t ，无关，临界雷诺数与乃有关，厅越大，临界雷诺数越大。a n w a r 等【7 1 用水、黏性不同的油以及水与甘油的混合物作为漩涡试验流体，对比分析得出如 果按泄水孔过水断面计算的径向雷诺数r e r = q 恼 3 1 0 4 ，模型自由表面涡不 受黏滞力影响。p a d m a n a b h a n 等【8 】得出r e = q v s 1 5 1 0 4 时漩涡的缩尺效应可 以忽略不计。0 d g a a r d 9 】得到进水1 2 1 相对临界淹没水深关于厅，r ，r e ，耽的函数 式，推导出当环量增大，涡黏性= k f 5 v 时，临界雷诺数r e = q v d 1 1 1 0 5 ， 可略去黏性作用。 天津大学博士学位论文 第一章绪论 总之，尽管各家提出的雷诺数极限值有所差异，但多数都在1 0 4 的数量级之 内。这个差异除了由于试验的厅范围不同以外，还与环量、进水口的型式等边 界条件有关。 ( 3 ) 表面张力的影响 表面张力可用韦伯数耽反映。d a g g e a 等【1 7 j 利用黏滞力相同但表面张力不同 的液体研究漩涡，在他的试验范围内，表面张力对漩涡的形成没有影响。j a i n l 4 5 】 用不同比例酒精与水的混合液研究相同黏滞力不同表面张力时进口吸气涡的差 别，发现当w e = p v 2 d 仃1 2 0 时( p 为液体密度；v 为孔口平均流速：仃为液 体表面张力系数) ，表面张力可以忽略。a n w a r 等【2 1 】给出的临界韦伯数为1 0 4 。 p a d m a n a b h a n 等【4 6 】给出的临界韦伯数为6 0 0 。o d g a a r d 怕j 假定涡心的表面张力与 该处的曲率半径成反比，并假定表面张力对临界淹没水深的影响比其他参数小得 多( 1 0 ) ，w e 7 2 0 时可忽略表面张力作用。 由上可得，临界韦伯数的数值变幅较大，相对黏滞力的研究，表面张力的研 究还很不成熟。过去的试验中，w e 的变化主要依靠改变y 与d 来实现，这实际 上同时改变了r e 与丹值，并不能说明只是表面张力的影响。要做到其他因素 ( r e 、环流、几何条件等) 都不变，只改变表面张力，寻求表面张力和漩涡参数 的关系，实际上困难还比较大。 目前模型试验通常采用的临界雷诺数大于或等于3 1 0 4 【4 4 】【4 7 】【4 8 】，临界韦伯 数大于或等于1 2 0 【4 5 1 【4 7 】。 1 4 2 2 克服缩尺效应的方法 漩涡模拟中，提出过不少方法来克服可能产生的缩尺效应。k n a u s s 【4 9 】【5 0 】认 为可采用三种方法：( 1 ) 增大模型( 模型缩尺l ，2 0 ) ，模型r e 和耽超过一定的临 界值；( 2 ) 提高模型运行水温来增大模型的r e 数；( 3 ) 允许存在一定的黏滞力影响， 但需增加一个修正系数。 一种传统做法是采用不同缩尺的系列模型【5 1 】【5 2 】。大的模型在同一f r 下有较 高的r e 和w e 。更为常用和经济的做法是在模拟的淹没深度和出口尺寸不变的 情况下，通过调节上游来流和下游泄流闸门开度增加模型的流量，从而可以按比 例地增加模型的流速。在英国迪诺威克电站模型试验中采用加大3 倍流速以满足 漩涡运动的相似性。h e c k e r 5 1 j 基于缩尺为l ：5 0 的按f r 准则设计的模型，将原型 观测的结果和模型试验的结果进行比较，提出模型流量增加2 0 - - 一2 5 倍，能较好 地模拟原型的漩涡。d e n n y 3 1 和d e n n y & y o u n g i s 3 1 提出等流速准则( 即模型流速等 天津大学博士学位论文 第一章绪论 于原型流速) 。很多人认为等速准则只适应较大的模型，因为此时模型中的流量 只要稍微增加到f r 准则要求的以上，就能达到模型和原型中流速相等的要求。 对于不同缩尺的模型，增加的流量将不同，但流速究竟应该增大多少才合适， 至今尚无定论。 1 4 2 3 原型观测和模型试验的对比 目前，模型设计较为通用的办法是：模型几何正态，按f r 准则设计，用黏 滞力与表面张力相似条件加以校核，并在试验过程中适当增加流量( 流速) 作为 补充观察。应当指出，增大流量，实际上是放弃了f r 准则，目的是增大原型的 r e 和w e ，减小黏滞力和表面张力的缩尺影响，对一些缩尺大、尺寸小的模型， 它有一定效果【5 4 1 。当然，模型试验的效果最好应通过与原型观测的对比来加以检 验。 h e c k e r 4 】对9 个抽水蓄能电站取水口、7 个电站进水口与水库泄水道、6 个 其他取水口的资料进行对比分析。其基本结论是：对于微弱漩涡和表面凹陷漩涡 可按f r 相似准则模拟，缩尺效应可忽略；而对于模型中发生有空气核心的漩涡 漏斗则存在一定的缩尺效应；为克服缩尺效应，模型流量应比按f r 准则所要求 的流量大2 0 2 5 倍。 p a d m a n a b h a n 4 6 】在研究某核电站冷却水取水口时，曾进行原型与两个缩尺模 型( 1 ：2 及l ：4 ) 试验的对比工作，认为模型中径向雷诺数r e 。= q v s 1 5 1 0 4 ， 管道r e = “d v 7 1 0 4 ，w e = p u2 d t r 6 0 0 时，按照f r 相似准则模拟自由表面 漩涡，缩尺为l ：2 及i ：4 的模型没有发现明显的缩尺效应。 王水田【8 1 在某水电站进水口( 缩尺为1 ：6 5 ) 漩涡问题的试验研究中，按等 f r 相似准则进行模拟，只发生了表面凹陷漩涡，而原型观测中却出现明显漏斗 状立轴漩涡。分析原因发现，模型结果的失真主要是忽略了黏滞力的影响而造成 的，可见按重力相似准则在大缩尺模型上是不能模拟原型情况的。在某些情况下， 特别当模型缩尺较大时，按重力相似准则进行模拟，如不附加其它措施，模型是 没有漏斗漩涡的，而工程原型则正好相反。 1 4 3 研究手段 1 4 3 1 流速测量手段 2 0 世纪8 0 年代以后，出现了非接触式高精度流速测量工具，如超声波多普 勒流速仪( a d v ) 、激光多普勒流速仪( l d a ) 、粒子成像测速系统( p i v ) 。a d v 是 - 1 3 - 天津大学博士学位论文 第一章绪论 一种单点、高分辨率的三维声学多普勒流速仪，该仪器具有操作简单、无定期的 校准要求、数据处理方便等优点，可对水流进行精确和快速的三维速度测量，非 常适宜于对复杂水流流场进行流速精确测量【5 5 j 【5 6 】。l d a 空间分辨率高，能测量 出直径l o 盯n 的流体微团运动的三维速度，而且测速范围广，动态响应快，对流 场坐标控制可由计算机自动完成，不受人为因素的干扰5 7 】【5 8 】。p i v 精度高，功能 强，特别是可以进行全流场测量，通过流场图像数据的分析，得出全场流体运动 的速度分布【5 9 】【6 0 1 1 6 1 】。因此对于涡轴游动的不稳定漩涡，p i v 技术是测速的最为 理想的方法之一。美国i o w a 大学p a t e l 等【6 2 】在对水泵进水口漩涡方面的试验研 究中，通过采用传统的染色法显示漩涡的发生，应用p i v 等现代化量测技术来捕 获漩涡的数目、位置、形状、大小及强度等定量信息，首次直观地再现并量化了 漩涡的瞬时结构和时均结构的细节，揭示出漩涡并不是固定的、而是游离的，有 一些是间断的特性。唐洪武【6 3 j 通过对粒子图像测速技术的改进，采用数字脉冲光 照技术和象增强器，实现了在低功率激光