消渦梁對(duì)立軸旋渦三維水流結(jié)構(gòu)的影響研究

楚志騰 賈 棲

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

當(dāng)水流經(jīng)過(guò)水電站進(jìn)水口、導(dǎo)流隧洞進(jìn)口、泵站進(jìn)口等取水結(jié)構(gòu)時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生立軸漩渦。立軸漩渦具有非定常、非線性的復(fù)雜動(dòng)力特征，理論研究經(jīng)歷了從二維無(wú)粘性渦[1]到三維粘性渦[2]，從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)的過(guò)程。近年來(lái)，眾多學(xué)者采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)漩渦形成機(jī)理和演變過(guò)程進(jìn)行了大量研究。陳云良[3]引入分離變量的方法來(lái)研究了立軸漩渦的流速沿切向、軸向和徑向的變化規(guī)律。孫洪亮[4]采用對(duì)流場(chǎng)無(wú)干擾的粒子圖像技術(shù)，得到更準(zhǔn)確的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)理論分析建立了描述漩渦水力特性的數(shù)學(xué)方程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值模擬作為一種經(jīng)濟(jì)有效且可以避免縮尺效應(yīng)的方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用。杜蘭等[5]采用RNG κ-ε模型模擬了進(jìn)水口前不同高度的疊梁門(mén)作用下的流場(chǎng)，給出避免漩渦產(chǎn)生的疊梁門(mén)布置方案；葉茂等[6]模擬了漩渦穩(wěn)定時(shí)水面環(huán)量和渦量的變化規(guī)律，隨著半徑增大，環(huán)量相應(yīng)增大，渦量減小。

為了防止立軸漩渦引發(fā)危害，通常需安裝消渦設(shè)施，如消渦梁、擋渦板和消渦格柵等。葉茂等[6]在豎井式溢洪道中設(shè)置防渦墩來(lái)消除漩渦，發(fā)現(xiàn)防渦墩的設(shè)置大幅減小了水流環(huán)量。對(duì)于閘前漩渦，劉潔潔[7]沿弧形閘門(mén)布置豎向的消渦格柵，通過(guò)模型試驗(yàn)和理論分析發(fā)現(xiàn)消渦格柵限制了漩渦的旋轉(zhuǎn)回流空間，兩對(duì)消渦格柵的消渦效果最好。本文采用數(shù)值模擬的方法，在強(qiáng)迫型旋渦的基礎(chǔ)上，研究了不同直徑消渦梁的消渦效果，以及消渦梁作用下漩渦發(fā)生區(qū)不同水深處水流結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。

1 模型的建立

為了形成更加穩(wěn)定的立軸旋渦，計(jì)算模型采用了側(cè)向進(jìn)流、底部出流的邊界條件布置方案，以形成強(qiáng)迫型的立軸旋渦，為后續(xù)消渦方案提供穩(wěn)定的前置條件。計(jì)算模型如圖1所示，主要由上部水箱、側(cè)向進(jìn)水口和底部出水口組成，該邊界條件可迫使來(lái)流繞中心軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為進(jìn)水口漩渦的形成提供初始環(huán)量。模型網(wǎng)格劃分整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，漩渦發(fā)生區(qū)網(wǎng)格采用柱坐標(biāo)下的圓形適體網(wǎng)格，向外輻射且逐漸過(guò)渡為矩形。

2 消渦梁數(shù)值模擬成果

2.1 消渦梁方案

傳統(tǒng)的消渦措施包括水平消渦梁、消渦隔柵和浮網(wǎng)等，其消渦原理均為抑制漩渦自由液面的切向速度的發(fā)展。對(duì)比不同消渦措施的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合上節(jié)穩(wěn)定吸氣漩渦直徑d，本文分別選取直徑D=d,D=2d和D=3d三種概化后的適體消渦梁進(jìn)行消渦模擬。消渦梁高0.05 m，其中心至水箱底部距離為0.15 m。四個(gè)側(cè)面進(jìn)水口大小相同，其中高為h，寬為b；S為初始淹沒(méi)水深，即計(jì)算開(kāi)始時(shí)水箱中水深；V為側(cè)面進(jìn)水口來(lái)流流速。不同方案的邊界參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 消渦方案

2.2 消渦梁作用下漩渦流態(tài)

各方案下流態(tài)如圖3所示，其中方案1未設(shè)置消渦梁，液體質(zhì)點(diǎn)在漩渦中心運(yùn)動(dòng)軌跡呈螺旋流狀。三種消渦梁均可阻隔氣芯的形成，消減漩渦的回轉(zhuǎn)強(qiáng)度，穩(wěn)定后均無(wú)吸氣漩渦。由于來(lái)流條件未變，消渦梁下方水流運(yùn)動(dòng)仍呈現(xiàn)螺旋流動(dòng)狀態(tài)。不同方案的流態(tài)表明：消渦梁D=d時(shí)，在消渦梁上方水面仍存在下凹，形成表面凹陷渦；消渦梁D>d時(shí)，消渦梁范圍內(nèi)渦流現(xiàn)象基本消失，液面較平穩(wěn)，但由底孔出流激發(fā)的螺旋流動(dòng)現(xiàn)象仍存在，說(shuō)明消渦梁的主要效用在于阻斷底層螺旋流向表層貫穿和切斷漩渦區(qū)的切向流動(dòng)。

2.3 消渦梁作用下的三維流速分布

假定立軸漩渦軸對(duì)稱，以水箱中心線為軸線，水箱底部孔口中心點(diǎn)為原點(diǎn)，將三維流速建立在柱坐標(biāo)系下，則漩渦區(qū)的流速可以分解為切向流速Vθ、徑向流速Vr和軸向流速Vz。重點(diǎn)分析了不同消渦梁作用下水深Z=0.01 m,0.09 m和0.18 m三個(gè)橫截面的各向流速(見(jiàn)圖4)。

在未設(shè)置消渦梁時(shí)，各向流速分布規(guī)律與陳云良[10]的研究一致。增設(shè)不同直徑消渦梁后，漩渦發(fā)生區(qū)水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。截面Z=0.01 m各向流速分布如圖4a)所示，在增設(shè)消渦梁后，出水孔范圍內(nèi)軸向流速Vz和出水孔邊界處徑向流速Vr雖略有減小，但均不隨消渦梁直徑呈現(xiàn)顯著變化，而底孔中心處切向流速Vθ隨消渦梁增大而增大。截面Z=0.09 m(消渦梁下方)各向流速分布如圖4b)所示，在消渦梁D=2d和D=3d作用下，消渦梁的阻隔使原漩渦中心區(qū)域內(nèi)軸向流速Vz明顯減小。徑向流速Vr隨消渦梁增大略有增大，且最大值出現(xiàn)在消渦梁邊緣附近。切向流速Vθ隨消渦梁直徑增大而增大，在消渦梁D=3d作用下，最大切向流速是未設(shè)置消渦梁時(shí)的3倍。該切向流速增大會(huì)加劇水流紊動(dòng)，使取水建筑物產(chǎn)生振動(dòng)，甚至發(fā)生振動(dòng)破壞。截面Z=0.18 m(消渦梁上方)各向流速分布如圖4c)所示，各向流速均隨消渦梁直徑增大而顯著減小。由于消渦梁的阻隔作用，消渦梁上方的軸向流速Vz=0，隨著消渦梁尺寸的增大，軸向速度Vz=0的范圍也相應(yīng)增加，并且軸向速度最大值也減小。消渦梁D=2d和D=3d作用下，最大軸向速度分別為2.88×10-3m/s和1.36×10-3m/s，為原漩渦區(qū)域最大軸向速度的60%和30%。切向速度Vθ隨消渦梁的增大均勻減小，徑向速度Vr也出現(xiàn)明顯地減小，消渦梁D>d時(shí)，在r<0.75 m范圍內(nèi)的徑向和軸向流速約為0，切向流速Vθ減小50%以上。

以上成果表明消渦梁會(huì)改變漩渦區(qū)的局部水流結(jié)構(gòu)，主要影響了消渦梁上方和消渦梁下方附近的各向流速，底部出水孔距離消渦梁較遠(yuǎn)，消渦梁的影響很小，流速分布基本不隨消渦梁尺寸而變化，僅底孔中心局部切向速度略有增大。當(dāng)消渦梁尺寸D≥2d時(shí)，消渦梁上方各向流速減小使得流態(tài)平穩(wěn)。從消渦梁下方各向流速分布來(lái)看，消渦梁成功消渦后，局部軸向速度變小，徑向速度最大值遠(yuǎn)離原漩渦中心，但卻出現(xiàn)切向速度增大的不利情況，影響建筑物的安全運(yùn)行。故建議消渦梁尺寸為漩渦直徑的2倍。

2.4 消渦梁上方渦量分析

消渦梁以上四個(gè)不同水深處的最大渦量值隨消渦梁直徑的變化規(guī)律成果如圖5所示，其中渦量Ω=2Vθ/r。計(jì)算成果表明，不同水深時(shí)最大渦量值隨消渦梁尺寸增大而減小，ΩD=0的范圍為1.90 s-1～3.48 s-1，ΩD=d的范圍為1.41 s-1～2.21 s-1，ΩD=2d的范圍為0.89 s-1～1.28 s-1，ΩD=3d的范圍為0.55 s-1～0.74 s-1。渦量均值隨消渦梁增大而減小，并呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢(shì)。未設(shè)置消渦梁時(shí)，渦量均值為2.63 s-1，隨著消渦梁增大，不同水深處渦量值的均值分別為1.76 s-1,1.06 s-1和0.63 s-1，渦量值分別降低33%,60%和76%。說(shuō)明消渦梁能有效降低漩渦強(qiáng)度。消渦梁D>d時(shí)，渦量值波動(dòng)范圍與渦量均值明顯減小。結(jié)合不同消渦梁作用下流態(tài)和各向流速分布曲線，消渦梁D=2d具有較好的消渦效果，可達(dá)到消渦目的。

3 結(jié)論

本文基于RNG κ-ε紊流模型和VOF模型模擬了立軸漩渦和消渦梁的消渦效果，重點(diǎn)對(duì)漩渦消除前后的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

1)在固定立軸漩渦的中心位設(shè)置消渦梁可以有效消除立軸漩渦，建議消渦梁尺寸選為漩渦直徑的2倍。

2)消渦梁的消渦原理在于改變消渦梁范圍內(nèi)水流的切向流速和徑向流速，阻斷底部螺旋流向水流表層發(fā)展，以及減小表層水體的渦量。本文的研究成果對(duì)研究立軸漩渦原理和消除漩渦措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。