進(jìn)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(dǎo)流隧洞、溢洪道、水泵站等進(jìn)水口前時(shí)有發(fā)生。它的存在將惡化進(jìn)口流態(tài)，降低過(guò)流能力，減少發(fā)電量，甚至造成水工建筑物的振動(dòng)和空化破壞。研究立軸旋渦的水力特性，是認(rèn)識(shí)和消除立軸旋渦的基礎(chǔ)。然而迄今為止，針對(duì)具體工程的試驗(yàn)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(shè)計(jì)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(yàn)和數(shù)模三個(gè)方面，對(duì)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(jìn)行了探討。主要的研究?jī)?nèi)容和成果有： 1、引入可分離變量法的思想，認(rèn)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(guò)去難以反映出軸向上變化的缺陷；并將方程化為數(shù)學(xué)上可解的一階擬線性偏微分方程，特征線法的引入，又轉(zhuǎn)化為常微分方程組聯(lián)解，推導(dǎo)出了速度的解析解以及水面線方程。以本文解析解為基礎(chǔ)，采用拉格朗日法計(jì)算描述出試驗(yàn)中觀測(cè)到的立軸旋渦多圈螺旋流。 2、立軸旋渦屬?gòu)?qiáng)非線性的水、氣兩

3、相流問(wèn)題，數(shù)值模擬的難度大，缺乏可供參考的成功算例。本文對(duì)結(jié)合VOF法的RNG和標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型進(jìn)行了比選：通過(guò)流場(chǎng)紊動(dòng)能、紊動(dòng)耗散率和紊動(dòng)粘性系數(shù)的模擬，分析了它們對(duì)立軸旋渦生成、發(fā)展的影響；結(jié)果表明：要模擬立軸旋渦運(yùn)動(dòng)這種高應(yīng)變率、流線彎曲程度較高的水流現(xiàn)象，RNG較標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更為合適。 3、對(duì)各種復(fù)雜條件下形成的立軸旋渦進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。針對(duì)旋渦區(qū)尺度小，而物理量的梯度大；流場(chǎng)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(duì)稱條件下，對(duì)理論、試驗(yàn)和數(shù)模得出的速度分布進(jìn)行了對(duì)比分析，證實(shí)了旋渦流場(chǎng)應(yīng)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(jié)果表明：底部進(jìn)水口、非對(duì)稱來(lái)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(yīng)表現(xiàn)為在空間中發(fā)生扭曲。側(cè)部出流時(shí)立軸旋渦不易穩(wěn)定；渦軸以及氣蕊在進(jìn)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(kāi)渦心一定距離后，平面流場(chǎng)不再表現(xiàn)為向心的螺旋線形流動(dòng)；數(shù)值模擬的難度較底部進(jìn)水口時(shí)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(chǔ)，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(méi)水深S／D三個(gè)參數(shù)的關(guān)系式。制作了能改變進(jìn)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(yàn)裝置，開(kāi)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(cè)部進(jìn)水口條件下，臨界淹沒(méi)水深的經(jīng)驗(yàn)公式。 本文提出用