消涡梁对立轴旋涡三维水流结构的影响研究

楚志腾 贾 栖

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

当水流经过水电站进水口、导流隧洞进口、泵站进口等取水结构时，可能会产生立轴漩涡。立轴漩涡具有非定常、非线性的复杂动力特征，理论研究经历了从二维无粘性涡[1]到三维粘性涡[2]，从稳态到瞬态的过程。近年来，众多学者采用模型试验和数值模拟的方法对漩涡形成机理和演变过程进行了大量研究。陈云良[3]引入分离变量的方法来研究了立轴漩涡的流速沿切向、轴向和径向的变化规律。孙洪亮[4]采用对流场无干扰的粒子图像技术，得到更准确的流场数据，并通过理论分析建立了描述漩涡水力特性的数学方程。随着计算机技术的进步，数值模拟作为一种经济有效且可以避免缩尺效应的方法，已经广泛应用。杜兰等[5]采用RNG κ-ε模型模拟了进水口前不同高度的叠梁门作用下的流场，给出避免漩涡产生的叠梁门布置方案；叶茂等[6]模拟了漩涡稳定时水面环量和涡量的变化规律，随着半径增大，环量相应增大，涡量减小。

为了防止立轴漩涡引发危害，通常需安装消涡设施，如消涡梁、挡涡板和消涡格栅等。叶茂等[6]在竖井式溢洪道中设置防涡墩来消除漩涡，发现防涡墩的设置大幅减小了水流环量。对于闸前漩涡，刘洁洁[7]沿弧形闸门布置竖向的消涡格栅，通过模型试验和理论分析发现消涡格栅限制了漩涡的旋转回流空间，两对消涡格栅的消涡效果最好。本文采用数值模拟的方法，在强迫型旋涡的基础上，研究了不同直径消涡梁的消涡效果，以及消涡梁作用下漩涡发生区不同水深处水流结构变化规律。

1 模型的建立

为了形成更加稳定的立轴旋涡，计算模型采用了侧向进流、底部出流的边界条件布置方案，以形成强迫型的立轴旋涡，为后续消涡方案提供稳定的前置条件。计算模型如图1所示，主要由上部水箱、侧向进水口和底部出水口组成，该边界条件可迫使来流绕中心轴线做旋转运动，为进水口漩涡的形成提供初始环量。模型网格划分整体采用结构化网格，漩涡发生区网格采用柱坐标下的圆形适体网格，向外辐射且逐渐过渡为矩形。

2 消涡梁数值模拟成果

2.1 消涡梁方案

传统的消涡措施包括水平消涡梁、消涡隔栅和浮网等，其消涡原理均为抑制漩涡自由液面的切向速度的发展。对比不同消涡措施的结构特点，并结合上节稳定吸气漩涡直径d，本文分别选取直径D=d,D=2d和D=3d三种概化后的适体消涡梁进行消涡模拟。消涡梁高0.05 m，其中心至水箱底部距离为0.15 m。四个侧面进水口大小相同，其中高为h，宽为b；S为初始淹没水深，即计算开始时水箱中水深；V为侧面进水口来流流速。不同方案的边界参数设置如表1所示。

表1 消涡方案

2.2 消涡梁作用下漩涡流态

各方案下流态如图3所示，其中方案1未设置消涡梁，液体质点在漩涡中心运动轨迹呈螺旋流状。三种消涡梁均可阻隔气芯的形成，消减漩涡的回转强度，稳定后均无吸气漩涡。由于来流条件未变，消涡梁下方水流运动仍呈现螺旋流动状态。不同方案的流态表明：消涡梁D=d时，在消涡梁上方水面仍存在下凹，形成表面凹陷涡；消涡梁D>d时，消涡梁范围内涡流现象基本消失，液面较平稳，但由底孔出流激发的螺旋流动现象仍存在，说明消涡梁的主要效用在于阻断底层螺旋流向表层贯穿和切断漩涡区的切向流动。

2.3 消涡梁作用下的三维流速分布

假定立轴漩涡轴对称，以水箱中心线为轴线，水箱底部孔口中心点为原点，将三维流速建立在柱坐标系下，则漩涡区的流速可以分解为切向流速Vθ、径向流速Vr和轴向流速Vz。重点分析了不同消涡梁作用下水深Z=0.01 m,0.09 m和0.18 m三个横截面的各向流速(见图4)。

在未设置消涡梁时，各向流速分布规律与陈云良[10]的研究一致。增设不同直径消涡梁后，漩涡发生区水流结构发生变化。截面Z=0.01 m各向流速分布如图4a)所示，在增设消涡梁后，出水孔范围内轴向流速Vz和出水孔边界处径向流速Vr虽略有减小，但均不随消涡梁直径呈现显著变化，而底孔中心处切向流速Vθ随消涡梁增大而增大。截面Z=0.09 m(消涡梁下方)各向流速分布如图4b)所示，在消涡梁D=2d和D=3d作用下，消涡梁的阻隔使原漩涡中心区域内轴向流速Vz明显减小。径向流速Vr随消涡梁增大略有增大，且最大值出现在消涡梁边缘附近。切向流速Vθ随消涡梁直径增大而增大，在消涡梁D=3d作用下，最大切向流速是未设置消涡梁时的3倍。该切向流速增大会加剧水流紊动，使取水建筑物产生振动，甚至发生振动破坏。截面Z=0.18 m(消涡梁上方)各向流速分布如图4c)所示，各向流速均随消涡梁直径增大而显著减小。由于消涡梁的阻隔作用，消涡梁上方的轴向流速Vz=0，随着消涡梁尺寸的增大，轴向速度Vz=0的范围也相应增加，并且轴向速度最大值也减小。消涡梁D=2d和D=3d作用下，最大轴向速度分别为2.88×10-3m/s和1.36×10-3m/s，为原漩涡区域最大轴向速度的60%和30%。切向速度Vθ随消涡梁的增大均匀减小，径向速度Vr也出现明显地减小，消涡梁D>d时，在r<0.75 m范围内的径向和轴向流速约为0，切向流速Vθ减小50%以上。

以上成果表明消涡梁会改变漩涡区的局部水流结构，主要影响了消涡梁上方和消涡梁下方附近的各向流速，底部出水孔距离消涡梁较远，消涡梁的影响很小，流速分布基本不随消涡梁尺寸而变化，仅底孔中心局部切向速度略有增大。当消涡梁尺寸D≥2d时，消涡梁上方各向流速减小使得流态平稳。从消涡梁下方各向流速分布来看，消涡梁成功消涡后，局部轴向速度变小，径向速度最大值远离原漩涡中心，但却出现切向速度增大的不利情况，影响建筑物的安全运行。故建议消涡梁尺寸为漩涡直径的2倍。

2.4 消涡梁上方涡量分析

消涡梁以上四个不同水深处的最大涡量值随消涡梁直径的变化规律成果如图5所示，其中涡量Ω=2Vθ/r。计算成果表明，不同水深时最大涡量值随消涡梁尺寸增大而减小，ΩD=0的范围为1.90 s-1～3.48 s-1，ΩD=d的范围为1.41 s-1～2.21 s-1，ΩD=2d的范围为0.89 s-1～1.28 s-1，ΩD=3d的范围为0.55 s-1～0.74 s-1。涡量均值随消涡梁增大而减小，并呈现出稳定的趋势。未设置消涡梁时，涡量均值为2.63 s-1，随着消涡梁增大，不同水深处涡量值的均值分别为1.76 s-1,1.06 s-1和0.63 s-1，涡量值分别降低33%,60%和76%。说明消涡梁能有效降低漩涡强度。消涡梁D>d时，涡量值波动范围与涡量均值明显减小。结合不同消涡梁作用下流态和各向流速分布曲线，消涡梁D=2d具有较好的消涡效果，可达到消涡目的。

3 结论

本文基于RNG κ-ε紊流模型和VOF模型模拟了立轴漩涡和消涡梁的消涡效果，重点对漩涡消除前后的水流结构进行了分析，主要得到以下结论：

1)在固定立轴漩涡的中心位设置消涡梁可以有效消除立轴漩涡，建议消涡梁尺寸选为漩涡直径的2倍。

2)消涡梁的消涡原理在于改变消涡梁范围内水流的切向流速和径向流速，阻断底部螺旋流向水流表层发展，以及减小表层水体的涡量。本文的研究成果对研究立轴漩涡原理和消除漩涡措施的优化设计有一定参考价值。