雙有壓進(jìn)水口布置型式對漩渦特性的影響

劉 東，王 奔，胡梅叢

(長江科學(xué)院 a.水力學(xué)研究所;b.信息中心，武漢 430010)

雙有壓進(jìn)水口布置型式對漩渦特性的影響

劉 東a，王 奔b，胡梅叢a

(長江科學(xué)院 a.水力學(xué)研究所;b.信息中心，武漢 430010)

水工建筑物有壓進(jìn)水口吸氣漩渦對建筑物和水力機(jī)械有一定的破壞作用。探討漩渦尤其是吸氣漩渦的產(chǎn)生機(jī)理，揭示其運(yùn)動的規(guī)律，尋求控制漩渦危害的有效措施，對工程具有實(shí)際意義。以往對進(jìn)水口漩渦特性與影響因素研究主要集中在單道單管引水，關(guān)于雙進(jìn)水口或多進(jìn)水口的漩渦特性的研究較少。選取雙有壓進(jìn)水口淹沒出流，針對不同淹沒水深，通過改變進(jìn)水口體型及布置型式，觀測水面流場及漩渦特性。研究發(fā)現(xiàn)隨著相對淹沒水深的增加，吸氣漩渦持續(xù)時間、頻率及強(qiáng)度均降低；不同淹沒水深情況下，立軸漩渦的直徑及強(qiáng)度隨著淹沒水深的不斷增加呈現(xiàn)先變大后減小的變化過程；適當(dāng)增大進(jìn)水口間距能夠改變漩渦類型，降低吸氣漩渦持續(xù)時間及其出現(xiàn)的頻率。

雙有壓進(jìn)水口；布置型式；吸氣漩渦；流態(tài)；流速

1 研究背景

在水利工程中，有壓進(jìn)水口吸氣漩渦是一個很突出的問題。近年來，我國水利水電事業(yè)發(fā)展迅速，許多大型工程在建或已經(jīng)建成。在電站引水管道、導(dǎo)流洞、泄洪洞、大型水泵的進(jìn)口都容易形成吸氣漩渦，這些漩渦有可能引起進(jìn)水口流態(tài)惡化、卷吸空氣、降低過流能力、卷吸漂浮物、加劇水流脈動等危害，對水利工程的安全運(yùn)行造成威脅。

以往對進(jìn)水口漩渦特性與影響因素研究基礎(chǔ)主要為單道單管引水，集中在弗勞德數(shù)、相對淹沒水深和進(jìn)水口形態(tài)上，關(guān)于雙層進(jìn)水口或多進(jìn)水口的漩渦特性的研究較少。鄧淑嬡[1]、Gordon[2]、Daggett[3]、Jain[4]、Odgaard[5]、胡去劣[6]等提出了計算進(jìn)水口臨界淹沒水深的經(jīng)驗(yàn)公式，然而由于問題的復(fù)雜性，關(guān)于漩渦的研究迄今為止都沒有一套很成熟的理論。目前關(guān)于水工泄水建筑物進(jìn)水口[7]、船閘輸水系統(tǒng)[8]等漩渦產(chǎn)生及消渦措施雖有一定研究，但大部分是通過模型試驗(yàn)來進(jìn)行的，其理論研究還比較欠缺，數(shù)值模擬的研究也比較少見，研究成果還難以完全滿足工程實(shí)踐的需要。因此有必要從理論上研究立軸漩渦運(yùn)動，對立軸漩渦形成和發(fā)展過程進(jìn)行理論分析，尋求削弱或遏制立軸漩渦的理論基礎(chǔ)。本文在不同水位、不同進(jìn)口體型、不同邊界條件下對立軸漩渦的形成、發(fā)展和變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)觀測，分析了不同漩渦類型的流場特性，總結(jié)了雙進(jìn)水口不同工況下流場的分布規(guī)律。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)在底板水平的矩形槽中進(jìn)行，水槽長4 m，寬1.0 m，高1.5 m。有壓進(jìn)水口為方形，分4個體型，其中體型1設(shè)1孔，孔口尺寸為200 mm×200 mm(寬×高，下同)；體型2至體型4設(shè)2孔，各孔孔口尺寸為100 mm×200 mm，兩孔間距L分別為5，100，200 mm。進(jìn)水口所在迎水面和兩側(cè)邊壁均用整塊透明有機(jī)玻璃制作成觀測段，模型整體布置見圖1，各孔口體型見圖2。

圖1 模型整體布置圖Fig.1 General layout of the test model

圖2 孔口體型Fig.2 Patterns of orifice

圖3 流速測點(diǎn)布置Fig.3 Arrangement of velocity measurement points

2.2 流速測量 采用三維超聲波多普勒流速儀(Micro-ADV)測量流速。流速測點(diǎn)布置見圖3，玻璃水槽內(nèi)距進(jìn)水口每20 cm設(shè)置一流速測點(diǎn)斷面，分別為Ⅰ—Ⅳ斷面，各斷面間隔20 cm橫向布置4個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)分別量測距進(jìn)水口底緣深度z=0，0.1，0.2 m流速。

2.3 進(jìn)水口隨機(jī)出現(xiàn)漩渦統(tǒng)計方法

試驗(yàn)中采用定時采樣和定總數(shù)采樣2種方法對隨機(jī)出現(xiàn)的吸氣漩渦進(jìn)行統(tǒng)計，對隨機(jī)出現(xiàn)的吸氣漩渦在時間歷程中出現(xiàn)頻率進(jìn)行分析。具體方法為：調(diào)節(jié)上游水位和下游閥門，保證流量40 L/s不變，淹沒水深H分別為5，10，15，20 cm，多次觀測隨機(jī)出現(xiàn)的漩渦，每次觀測10 min，記錄隨機(jī)出現(xiàn)的漩渦的個數(shù)和類型，觀測隨機(jī)出現(xiàn)的吸氣漩渦出現(xiàn)率及規(guī)律。

2.4 試驗(yàn)工況及條件

根據(jù)不同進(jìn)水口淹沒水深及孔口型式，試驗(yàn)工況見表1。模型流量為40 L/s，各體型兩孔間距L與孔口寬度a比值A(chǔ)分別為0，1/20，1/1，2/1(以下簡稱相對間距A)，各淹沒水深與孔口高度b(200 mm)比值B分別為1/4，1/2，3/4，1/1(以下簡稱相對淹沒度B)。

表1 試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流 態(tài)

表2為不同進(jìn)水口布置型式和不同淹沒水深情況下，以漩渦最大直徑、總持續(xù)時間、數(shù)量和出現(xiàn)頻率等指標(biāo)描述漩渦的水力特性。各工況漩渦出現(xiàn)頻率見圖4。

表2 漩渦特性

圖4 各工況吸氣漩渦出現(xiàn)頻率

由表2、圖4可以看出，進(jìn)水口間距一定的情況下，隨著淹沒水深的增加，漩渦總持續(xù)時間減少，吸氣漩渦出現(xiàn)的頻率大幅度降低。進(jìn)水口相對間距A=0體型下，相對淹沒度B=1/4時，吸氣漩渦總持續(xù)時間為522 s，其漩渦出現(xiàn)概率為87%；隨著相對淹沒度增加至1/1，吸氣漩渦總持續(xù)時間降低為198 s，出現(xiàn)頻率僅為33%。其他各體型下，規(guī)律基本一致。進(jìn)水口相對間距A=2/1體型下，隨淹沒水深的增加，吸氣漩渦出現(xiàn)頻率由58%降低為8%。

相同淹沒水深情況下，隨著2個進(jìn)水口相對間距的增加，漩渦總持續(xù)時間及頻率減小，吸氣漩渦強(qiáng)度明顯降低。淹沒水深10 cm，即相對淹沒度B=1/2時，孔口相對間距A=0體型吸氣漩渦出現(xiàn)概率為58%，相對間距A=1/20，A=1/1及A=2/1時，吸氣漩渦出現(xiàn)頻率分別為55%，43%，41%；淹沒水深20 cm，即相對淹沒度B=1時，相對間距A=0，A=1/20，A=1/1，及A=2/1各體型吸氣漩渦出現(xiàn)概率分別為33%，26%，19%，8%。可見在泄流能力一致的條件下，改變泄水建筑物的體型，適當(dāng)增加進(jìn)水口間距,可降低進(jìn)水口前吸氣漩渦產(chǎn)生強(qiáng)度。

各工況中最大吸氣漩渦直徑變化見圖5，相同體型不同淹沒水深情況下，吸氣漩渦的直徑隨著淹沒水深的不斷增加呈現(xiàn)了先變大后減小的變化過程。相對間距A=0(L=0)時，隨著淹沒水深的增加，各工況最大吸氣漩渦直徑分別為2.1，3.3，2.4，1.5 cm，最大漩渦直徑發(fā)生在相對淹沒度B=1/2(淹沒水深10 cm)工況，直徑達(dá)到3.3 cm；相對間距A=2/1(L=200 mm)時，隨著淹沒水深的增加，最大吸氣漩渦直徑分別為1.5，2.2，1.4，1.4 cm。各體型條件下，出現(xiàn)最大吸氣漩渦直徑均發(fā)生在相對淹沒度B=1/2(淹沒水深10 cm)工況，且隨著進(jìn)水口相對間距A(間距L)的增加，最大漩渦直徑也隨之減小，相對淹沒度B=1/2時，相對間距A=0，A=1/20，A=1/1及A=2/1最大漩渦直徑分別為3.3，2.9，2.1，2.2 cm。

圖5 各工況最大吸氣漩渦直徑變化

試驗(yàn)隨機(jī)統(tǒng)計了各工況下產(chǎn)生漩渦后漩渦中心坐標(biāo)，統(tǒng)計參數(shù)為20次，不同體型中漩渦中心坐標(biāo)見圖6。

圖6 隨機(jī)漩渦中心坐標(biāo)Fig.6 Central coordinates of random vortices

進(jìn)口前漩渦中心的位置并不固定，而是在一個范圍內(nèi)做隨機(jī)運(yùn)動，沒有運(yùn)動規(guī)律可言，但基本沿進(jìn)水口中心線對稱分布。隨著淹沒水深的增加，漩渦中心范圍縱向拉伸，淹沒水深5 cm時，各工況漩渦中心縱向坐標(biāo)位于-10～0 cm之間，淹沒水深增加至20 cm時，各工況漩渦中心縱坐標(biāo)位于-35～-5 cm之間。漩渦形態(tài)的變化過程可以近似地用渦管理論來解釋。如果將一個立軸漩渦近似看作一個渦管，那么漩渦的強(qiáng)度變化與渦管的形態(tài)變化及渦管的拉伸有密切聯(lián)系：在渦管強(qiáng)度較低時，其強(qiáng)度的增大主要體現(xiàn)在切向流速的增大，同時渦管半徑也逐漸增大，此時漩渦主要集中在水面附近，沒有形成貫通性或間歇性吸氣渦；隨著強(qiáng)度繼續(xù)增大，渦管縱向發(fā)展加劇，形成較為明顯的渦管拉伸現(xiàn)象，此時拉伸的渦管導(dǎo)致漩渦強(qiáng)度充分集中，在進(jìn)口附近形成貫通性或間歇性吸氣渦，同時渦管的拉伸也導(dǎo)致了漩渦半徑的減小。

3.2 流 速

圖7為各工況紊動流速Vx最大偏差。從圖7中看出，各工況下，紊動流速偏差最大值均出現(xiàn)在淹沒水深5 cm工況，且隨著淹沒水深的增加，紊動流速Vx最大偏差逐漸降低。L=0，淹沒水深5 cm時，2#測點(diǎn)最大流速為0.143 m/s、平均流速為0.088 m/s(見表3)，其紊動流速最大偏差達(dá)到62%，隨著淹沒水深的增加，其紊動流速偏差逐漸降低至50%。

圖8為各體型紊動流速Vx最大偏差，從圖8可知，相同淹沒水深條件下，紊動流速偏差最大值均出現(xiàn)在L=0及L=5 mm體型，且隨進(jìn)水口間距L增加，紊動流速Vx最大偏差逐漸降低。淹沒水深5 cm時，2#測點(diǎn)在L=0時紊動流速最大偏差達(dá)到62%，隨進(jìn)水口間距L增加，其紊動流速偏差逐漸降低至45%。

表分布

表分布

圖7 各工況紊動流速Vx最大偏差Fig.7 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vx in each condition

圖8 各體型紊動流速Vx最大偏差Fig.8 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vx of each pattern

從圖9、表4中看出，各工況下，紊動流速偏差最大值均出現(xiàn)在淹沒水深5 cm工況，且隨著淹沒水深的增加，紊動流速Vy最大偏差逐漸降低。L=0，淹沒水深5 cm時，2#測點(diǎn)最大流速為-0.054 m/s、平均流速為-0.038m/s(見表4)，其紊動流速最大偏差達(dá)到43%，隨著淹沒水深的增加，其紊動流速偏差逐漸降低至34%。

圖9 各工況紊動流速Vy最大偏差Fig.9 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vy in each condition

圖10 各體型紊動流速Vy最大偏差Fig.10 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vy of each pattern

圖10為各體型紊動流速Vy最大偏差，由圖10可知，相同淹沒水深下，紊動流速偏差最大值均出現(xiàn)在L=0及L=5 mm體型，且隨著進(jìn)水口間距L的增加，紊動流速Vy最大偏差逐漸降低。淹沒水深5 cm時，2#測點(diǎn)在L=0時紊動流速最大偏差達(dá)43%，隨著進(jìn)水口間距L增加，其紊動流速偏差逐漸降低至28%。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)口流速分布有2個特點(diǎn)：

(1) 各工況條件下，進(jìn)水口平均流速分布對稱，水流平穩(wěn)，不同水深測點(diǎn)流速分布基本一致。進(jìn)水口體型一致條件下，測點(diǎn)平均流速隨著淹沒水深的增加略有降低；淹沒水深相同，改變進(jìn)水口相對間距A，其縱向流速Vx、橫向流速Vy隨著A的增加而分布均勻。

(2) 各工況下，水流縱向相對紊動強(qiáng)度較大，橫向相對紊動強(qiáng)度略小。紊動流速偏差最大值均出現(xiàn)在相對淹沒度B=1/4工況，且隨著淹沒水深的增加，紊動流速最大偏差逐漸降低。相同淹沒度條件下，紊動流速偏差最大值均出現(xiàn)在A=0及A=1/20體型，且隨著進(jìn)水口相對間距的增加，紊動流速最大偏差逐漸降低。

4 結(jié) 論

本文通過物理模型對低水頭矩形雙進(jìn)水口淹沒流隨機(jī)出現(xiàn)的漩渦進(jìn)行研究，針對多種進(jìn)水口型式及淹沒水深，考慮來流邊界的漩渦形態(tài)、分布規(guī)律，對進(jìn)水口隨機(jī)出現(xiàn)的吸氣漩渦的特征和影響因素進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

(1) 進(jìn)水口附近隨機(jī)出現(xiàn)的吸氣漩渦在一個范圍內(nèi)做隨機(jī)運(yùn)動，沒有運(yùn)動規(guī)律可言，但基本沿進(jìn)水口中心線對稱分布。隨著相對淹沒水深的增加，吸氣漩渦持續(xù)時間及其出現(xiàn)的頻率隨之降低，漩渦強(qiáng)度也隨之減小。

(2) 不同淹沒水深情況下，立軸漩渦的直徑隨著淹沒水深的不斷增加呈現(xiàn)先變大后減小的變化過程，最大漩渦直徑均發(fā)生在相對淹沒度B=1/2工況；相同淹沒水深情況下，隨著2個進(jìn)水口之間相對間距的增加，漩渦總持續(xù)時間及頻率減小，吸氣漩渦強(qiáng)度也明顯降低。

(3) 從流態(tài)及紊動流速分析可見，在泄流能力一致條件下，改變泄水建筑物有壓進(jìn)水口的布置型式，加大淹沒深度或適當(dāng)增加進(jìn)水口間距以降低進(jìn)水口前吸氣漩渦強(qiáng)度是可行的。

[1] 鄧淑媛．泄水建筑物進(jìn)口水面漩渦的形成及其克服方法的探討[J]．水利水運(yùn)科學(xué)研究，1986，(4)：51-63．

[2] GORDON J L．Vortices at Intakes Structures [J]．Water Power，1970，(4)：137-138．

[3] DAGGETT L L，KEULEGAN G H．Similitude Condition in Free-surface Vortex Formations[J]．Journal of the Hydraulics Division，1974，100(11)：1565-1581．

[4] JAIN A K，GARDE R J，RANGA RAJU K G．Vortex Formation at Vertical Pipe Intakes[J]．Journal of the Hydraulics Division，1978，104(10)：1429-1445．

[5] ODGAARD A J．Free-surface Air Core Vortex[J]．Journal of Hydraulic Engineering，1986，112(7):610-620．

[6] 胡去劣．低水頭進(jìn)水口的布置及漩渦試驗(yàn)研究[R]．南京：南京水利科學(xué)研究院，1985．

[7] 段文剛，黃國兵，張 暉，等. 幾種典型水工建筑物進(jìn)水口消渦措施試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報，2011，28(2): 21-27.

[8] 吳英卓，江耀祖，周 赤，等.船閘短廊道輸水系統(tǒng)進(jìn)口漩渦成因及消除措施研究[J].長江科學(xué)院院報，2011，28(11): 52-56.

(編輯：羅 娟)

Effect of Arrangement of Dual-pressure Inlet on Vortex Properties

LIU Dong1，WANG Ben2，HU Mei-cong1

(1.Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China; 2.Technology Information Center,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China)

The intake vortices of pressure inlets have destructive effect on hydraulic machinery and buildings. It is of practical significance to discuss the generation mechanism of vortex, especially of intake vortex, to reveal the law of movement, and to seek effective measures to control the damage of vortex. Studies on the inlet vortices properties and influencing factors mainly focused on single-channel and single inlet water rather than vortex properties of double inlets or multiple inlets. Submerged outflow of dual-pressure inlet is adopted to observe water flow field and vortex properties by changing the shape and arrangement of the inlet under different submergence depths. Results show that the duration time, frequency and intensity of intake vortex decrease with the increasing of relative submergence depth. In different submerged water depths, the diameter and intensity of vertical vortex show a process of increasing first and then decreasing as the submergence depth increases. Increasing the distance between the inlets appropriately could change the vortex type and reduce the duration and frequency of the intake vortex.

dual-pressure inlet; arrangement of inlet; intake vortex; flow pattern; flow velocity

2016-04-19；

2016-10-13

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2014048/SL，CKSF2016017/SL)

劉 東(1983-)，男，湖北宜都人，工程師，碩士，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面的研究，(電話)027-82829903(電子信箱)18593440@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160367

2017,34(7):48-53

TV135

A

1001-5485(2017)07-0048-06