管道进水口漩涡消除研究

管道进水口漩涡消除研究
• 2、 漩涡的危害
在水利工程中，取水建筑物进口处的立轴漩涡是非常常见的，它对 水工建筑物的安全运行有很大的危害，主要表现在下面几个方面：
①形成吸气漩涡后会吸入水面漂浮物,堵塞进水口,减小进水口的泄流 能力,降低电站的发电效率,危及工程安全; ②吸入的空气在水电站洞身内形成气囊,恶化洞身流态,增加洞身脉动 压力;
③由于水流中夹杂的气泡在压力改变时体积缩胀,降低了水力机械的效 率,产生噪音,造成振动和空化,影响周围建筑物安全。
管道进水口漩涡消除研究
• 3、漩涡的研究
漩涡的研究
物理模型试验
数值模拟
• 3.1 物理模型试验
对于进水漩涡问题的研究，主要考虑三个相互制约的主要作用，包括重力、黏 滞力和表面张力。在针对进水漩涡进行物理模型试验研究过程中，试验研究流 体一般采用水，与原型相同，如果需要满足物理模型和原型的完全相似条件， 则需要三个主要作用均同时满足相似，即弗劳德数Fr 相似、雷诺数相似以及韦 伯数We相似，但是由于三个因素的相互制约性，在物理模型试验中同时达到三 个因素相似是不可能实现的。 对于漩涡问题的研究中，进水自由表面漩涡问题的研究具有非常重要的实际应 用意义。漩涡的运动受到水流中各种水力因素以及边界条件的影响，因此对于 试验仪器的要求非常高。目前，在物理模型试验过程中，由于旋桨流速仪、毕 托管、热线热膜流速仪等仪器在测量过程中都会对实际流场造成不同程度的干 扰进而造成漩涡运动的不稳定，有时候甚至会对所要求测量的漩涡速度场分布 造成很大破坏，加之在试验操作过程中认为因素的影响，因此这些仪器的应用 有时候会对漩涡问题研究造成非常大的误差甚至得出谬误的结论。随流体力学 技术的不断进步，近年来，粒子图像测速仪（PVI）技术对于漩涡问题的研究起 到了很大的促进作用。使得对于漩涡流场的精确测量成为可能。由于PVI满足了 不破坏流场的至关重要的要求，因此实际测量过程中具有很高的精确性。何学 民等利用PVI测量得到了准稳定漏斗状吸气漩涡三维流速场分布。由于PVI克服 了接触测量仪器对漩涡流场的干扰，在物理模型试验中越来越受到重视并且取 得了突破性的科研成果。
• 3.2数值模拟研究
许多学者对进水口处的漩涡流场进行了计算,但由于缺乏较好的紊流近壁模式, 他们的数值模拟远没有揭示近壁区和漩涡区的流动特性。徐宇采用雷诺平均理 论，通过建立双方程 k −ε紊流模型求解雷诺平均紊流运动 方程，计算过程中采 用 算法，得到了时均速度场分布并且对漩涡的发生位置进行预测。徐宇等基于 雷诺平均的N-S方程和k-ε紊流模型,采用SIMPLEC算法计算三维紊流,得出了流 速场和压力场的分布,预测了漩涡发生的位置和结构。Eiamsaard 等采用雷诺应 力模型（ RSM ）和标准k −ε紊流模型数值计算得到涡管可压缩流动的漩涡运动， 计算结果与物理模型试验结果吻合比较好。 造成数值模拟计算结果和试验观测值之间误差的原因主要有4个方面:①缺乏 好的紊流模式。各种紊流模型的计算结果或多或少存在差异。②没有好的网格 生成。由于漩涡区尺度小,物理量的梯度大,形状复杂,造成了局部网格划分的难 度。③自由水面的处理。由于漩涡表面的水流方向在短距离内从水平转为竖直, 曲线的斜率变化较大,在自由水面追踪方面增加了难度。④恒定流的假定。
• 4、漩涡的消除
漩涡的消除
优化进水口设计
改善运行方式
修建专门的 消涡建筑物
5、结语
一直以来,进水口漩涡问题研究都是国内外专家、学者 关注的问题,随着计算机技术的进步和先进Baidu Nhomakorabea量手段的不 断涌现,在漩涡问题的理论研究、水力模型试验以及数值 模型等方面都取得了丰硕的成果和经验,并不断运用在实 际问题当中。但是由于漩涡问题的复杂性,对于漩涡的生 成机理、漩涡的比尺效应、数值模型的选取以及网格的 划分等很多问题,仍需要进一步研究。
管道进水口漩涡消除研究
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• 1、漩涡的分类
表面漩涡 表面凹陷涡 漩涡分类 染料核漩涡 挟物漩涡
间歇吸气涡
贯通漩涡
在这些漩涡类型中，①和②这两种漩涡强度很小，不 会影响水工建筑物的正常运行，这类漩涡在工程中是 允许存在的；③和④为弱漩涡，一般危害不大但仍会 对水力机械和水利设施产生一定作用，因此要尽量避 免在工程中出现；⑤和⑥为吸气漏斗漩涡，属于强漩 涡，对工程危害较大，工程中通常是要杜绝出现的。