消渦梁對立軸旋渦三維水流結構的影響研究

楚志騰 賈 棲

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

當水流經過水電站進水口、導流隧洞進口、泵站進口等取水結構時，可能會產生立軸漩渦。立軸漩渦具有非定常、非線性的復雜動力特征，理論研究經歷了從二維無粘性渦[1]到三維粘性渦[2]，從穩態到瞬態的過程。近年來，眾多學者采用模型試驗和數值模擬的方法對漩渦形成機理和演變過程進行了大量研究。陳云良[3]引入分離變量的方法來研究了立軸漩渦的流速沿切向、軸向和徑向的變化規律。孫洪亮[4]采用對流場無干擾的粒子圖像技術，得到更準確的流場數據，并通過理論分析建立了描述漩渦水力特性的數學方程。隨著計算機技術的進步，數值模擬作為一種經濟有效且可以避免縮尺效應的方法，已經廣泛應用。杜蘭等[5]采用RNG κ-ε模型模擬了進水口前不同高度的疊梁門作用下的流場，給出避免漩渦產生的疊梁門布置方案；葉茂等[6]模擬了漩渦穩定時水面環量和渦量的變化規律，隨著半徑增大，環量相應增大，渦量減小。

為了防止立軸漩渦引發危害，通常需安裝消渦設施，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置防渦墩來消除漩渦，發現防渦墩的設置大幅減小了水流環量。對于閘前漩渦，劉潔潔[7]沿弧形閘門布置豎向的消渦格柵，通過模型試驗和理論分析發現消渦格柵限制了漩渦的旋轉回流空間，兩對消渦格柵的消渦效果最好。本文采用數值模擬的方法，在強迫型旋渦的基礎上，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生區不同水深處水流結構變化規律。

1 模型的建立

為了形成更加穩定的立軸旋渦，計算模型采用了側向進流、底部出流的邊界條件布置方案，以形成強迫型的立軸旋渦，為后續消渦方案提供穩定的前置條件。計算模型如圖1所示，主要由上部水箱、側向進水口和底部出水口組成，該邊界條件可迫使來流繞中心軸線做旋轉運動，為進水口漩渦的形成提供初始環量。模型網格劃分整體采用結構化網格，漩渦發生區網格采用柱坐標下的圓形適體網格，向外輻射且逐漸過渡為矩形。

2 消渦梁數值模擬成果

2.1 消渦梁方案

傳統的消渦措施包括水平消渦梁、消渦隔柵和浮網等，其消渦原理均為抑制漩渦自由液面的切向速度的發展。對比不同消渦措施的結構特點，并結合上節穩定吸氣漩渦直徑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。四個側面進水口大小相同，其中高為h，寬為b；S為初始淹沒水深，即計算開始時水箱中水深；V為側面進水口來流流速。不同方案的邊界參數設置如表1所示。

表1 消渦方案

2.2 消渦梁作用下漩渦流態

各方案下流態如圖3所示，其中方案1未設置消渦梁，液體質點在漩渦中心運動軌跡呈螺旋流狀。三種消渦梁均可阻隔氣芯的形成，消減漩渦的回轉強度，穩定后均無吸氣漩渦。由于來流條件未變，消渦梁下方水流運動仍呈現螺旋流動狀態。不同方案的流態表明：消渦梁D=d時，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，消渦梁范圍內渦流現象基本消失，液面較平穩，但由底孔出流激發的螺旋流動現象仍存在，說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的切向流動。

2.3 消渦梁作用下的三維流速分布

假定立軸漩渦軸對稱，以水箱中心線為軸線，水箱底部孔口中心點為原點，將三維流速建立在柱坐標系下，則漩渦區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三個橫截面的各向流速(見圖4)。

在未設置消渦梁時，各向流速分布規律與陳云良[10]的研究一致。增設不同直徑消渦梁后，漩渦發生區水流結構發生變化。截面Z=0.01 m各向流速分布如圖4a)所示，在增設消渦梁后，出水孔范圍內軸向流速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域內軸向流速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置消渦梁時的3倍。該切向流速增大會加劇水流紊動，使取水建筑物產生振動，甚至發生振動破壞。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也出現明顯地減小，消渦梁D>d時，在r<0.75 m范圍內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改變漩渦區的局部水流結構，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，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。當消渦梁尺寸D≥2d時，消渦梁上方各向流速減小使得流態平穩。從消渦梁下方各向流速分布來看，消渦梁成功消渦后，局部軸向速度變小，徑向速度最大值遠離原漩渦中心，但卻出現切向速度增大的不利情況，影響建筑物的安全運行。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

消渦梁以上四個不同水深處的最大渦量值隨消渦梁直徑的變化規律成果如圖5所示，其中渦量Ω=2Vθ/r。計算成果表明，不同水深時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，并呈現出穩定的趨勢。未設置消渦梁時，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%。說明消渦梁能有效降低漩渦強度。消渦梁D>d時，渦量值波動范圍與渦量均值明顯減小。結合不同消渦梁作用下流態和各向流速分布曲線，消渦梁D=2d具有較好的消渦效果，可達到消渦目的。

3 結論

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，重點對漩渦消除前后的水流結構進行了分析，主要得到以下結論：

1)在固定立軸漩渦的中心位設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展，以及減小表層水體的渦量。本文的研究成果對研究立軸漩渦原理和消除漩渦措施的優化設計有一定參考價值。