（水工结构工程专业论文）龙滩水电站发电进水口前立轴旋涡的研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果 和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表 过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作 提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名声茄玲 学位论文使用授权说明 别口年6 月哆日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囱即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：唐芳企导师签名：锨中即 2 口，。年占月岛日 龙滩水电站发电进水口前立轴旋涡的研究 摘要 本文以国家实施西部大开发和西电东送的重要标志性工程龙滩水 电站为工程背景，从模型试验和三维数值模拟两种途径对龙滩水电站发电 进水口前的水流流态进行研究，以达到消除进水口前吸气旋涡的目的。主 要探讨了边界条件、水流流量、机组组合开启情况和淹没水深等因素对龙 滩水电站进水口前立轴旋涡造成的影响，为研究立轴旋涡复杂的形成机理 和丰富的物理意义提供了重要的依据，具有重要的理论意义和实用价值。 具体而言，本文的主要工作如下： 1 简单介绍了龙滩水电站的基本情况，概述了立轴旋涡在理论研究， 模型试验和数值模拟的研究现状和研究意义。 2 根据模型试验结果，对有立轴旋涡产生工况的进水口前流场进行分 析，从边界因素解释了进水口前回流产生的原因，并得出以下研究成果： 旋涡的平面速度随水深的增加而增大；在其它条件一致的情况下，流量增 大更有利于旋涡的形成；根据试验结果对g o r d o n 公式来流条件系数进行了 修正，认为边界条件较为复杂的侧向取水时，来流条件系数取1 1 3 。 3 针对龙滩水电站的具体情况分析和比较了九种消涡措施，并最终选 择将7 # - 9 # 机喇叭口缩进来与1 # - - 6 # 机呈一条直线，l j 5 7 撑机进水口底板高 程为3 0 5 m ，8 撑9 群机进水口底板高程为3 1 5 m 的设计方案。根据新的设计方 案进行补充试验，结果表明进水口前水流状态较好，无环流，无旋涡。 4 简单介绍了湍流数值模拟的基本理论和数值计算方法，选择适合旋 涡模拟的湍流模型。 5 通过对盆池水涡动过程的模拟，从自由水面、紊动能、紊动耗散率、 紊动粘性系数等方面对比了结合v o f 法的r n g k 一占模型和r k e k s 模型， t h er e s e a r ch o fv e r t i c a lv o r t e xa th y d r a u l i c i n t a k e so fl o n g t a nh y f r o p o w e rs t a t i o n a b s t r a c t t h i sp a p e rr e g a r d sl o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o nw h i c hi st h el a n d m a r k p r o j e c to fc o u n t r y - w e s t e r nd e v e l o p m e n ta n dp o w e rt r a n s m i s s i o nf r o mw e s tt o e a s t w es t u d i e df l o ws t a t ei nf r o n to ft h eh y d r a u l i ci n s t a k e sb ye x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni no r d e rt ok n o wa n da v o i dv e r t i c a l v o r t e xa th y d r a u l i ci n t a k e s t oi n v e s t i g a t et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，w a t e rf l o w , u n i t - o p e ns i t u a t i o n ，s u b m e r g e dd e p t ha n do t h e rf a c t o r sh o w t oi m p a c tv e r t i c a l v o r t e xa tt h e h y d r a u l i c i n t a k e so fl o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o n p r o v i d e i m p o r t a n tb a s i s e sf o rs t u d yc o m p l e xf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dr i c hp h y s i c s m e a n i n go fv e r t i c a lv o r t e x i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a lv a l u e p a r t i c u l a r l y , t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i cs i t u a t i o no f l o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e d b r i e f l y , a n ds i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hs t a t u sq u oo f v e r t i c a lv o r t e xi nt h et h e o r y , m o d e le x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a v e b e e ns u m m a r i z e d 2 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f m o d e le x p e r i m e n t ，t h ef l o wf i e l d sw h i c hh a v e v e r t i c a lv o r t e xa th y d r a u l i ci n t a k e sh a v eb e e na n a l y z e d ；t h eb o r d e rh o wt oc a u s e t h ec i r c u l a t i o na th y d r a u l i ci n t a k e sa l s oh a sb e e ne x p l a i n e d t h er e s u l t so f r e s e a r c ha sf o l l o w i n g r a d i a lv e l o c i t yo fv e r t i c a lv o r t e xi n c r e a s e sb yt h ed e p t h t h ef l o wi n c r e a s e dm a yb em o r ec o n d u c i v et ot h ef o r m a t i o no ft h ev o r t e xi n c a s et h a to t h e rc o n d i t i o n sa r et h es a m e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h em o d e l e x p e r i m e n t ，t h ec o e f f i c i e n tf o rf l o wc o n d i t i o n si ng o r d o nf o r m u l ah a sb e e n a m e n d e dt h a tt h ec o e f f i c i e n tf o rf l o wc o n d i t i o n st a k ev a l u eo f1 13o nt h e c o n d i t i o n so f c o m p l e xb o r d e r sa n dt h es i d ei n t a k e s 3 t h er e s u l t s f o ra n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no f t h en i n em e a s u r e st oe l i m i n a t e h i v e r t i c a lv o r t e xa th y d r a u l i ci n t a k e so fl o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h em e a s u r e ， t r u m p e t so f 7 # - - 9 # m a c h i n e sh a v eb e e ni nas t r a i g h tl i n ew i t ht r u m p e t so f1 撑 1 6 撑 m a c h i n e s ，b o t t o me l e v a t i o no ft h ei n t a k e sf o r1 # - - 7 # m a c h i n e si s3 0 5 m ，b o t t o m e l e v a t i o no ft h ei n t a k e sf o r8 # - 9 # m a c h i n e si s315 m ，h a sb e e nc h o s ef i n a l l y t h e a d s c i t i t i o u se x p e r i m e n t a lr e s u l t su n d e rt h en e wd e s i g ns h o wt h a tf l o ws t a t ei s g o o di nf r o n to fi n t a k e s ，n oc i r c u l a t i o na n dn o v o r t e x 4 耽eb a s i ct h e o r yo ft u r b u l e n c es i m u l a t i o na n dm e t h o do fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nh a v eb e e ni n t r o d u c e db r i e f l y , a n dt h ea p p r o p r i a t et u r b u l e n c em o d e l f o rv e r t i c a lv o r t e xs i m u l a t i o nh a sb e e ns e l e c t e d 5 t h ev e r t i c a lv o r t e xf o r m e db yd i s c h a r g i n gw a t e rf r o mt h eb o t t o mi nat u b i sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fr n gk a n dr k ek - e t u r b u l e n tm o d e l sw i t hv o fm o d e la r ec o m p a r e db yt h ef r e es u r f a c e ，t h e t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y , t h et u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t ea n dt h et u r b u l e n tv i s c o s i t y i ts h o w st h a tr n gk - m o d e l i sm o r es u i t a b l et h a nr k ek - 6m o d e lf o rs i m u l a t i o n o ft h ev e r t i c a lv o r t e x 6 t h ef l o wf i e l d si nf r o n to ft h ei n t a k e so fl o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o n w i t hv a r i o u st y p e so fw o r k i n gc o n d i t i o n sh a v eb e e ns i m u l a t e db yf l u e n t n e w d e s i g nh a s b e e na p p l i e di nc a l c u l a t i o nm o d e l 。砀en u m e r i c a lr e s u l t sa n d a d d i t i o n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dt of u r t h e rv e r i f yt h a tr n gk m o d e li sg o o df o rs i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l di nf r o n to ft h ei n t a k e s ，a n dt h e f l o wf i e l di nf r o n to ft h ei n t a k e sa r ef u r t h e rc o n f i r m e di sg o o d ，n oc i r c u l a t i o n a n dn ov o r t e x k e y w o r d s ：l o n g t a nh y d r o p o w e rs t a t i o n ；h y d r a u l i ci n t a k e s ； v e r t i c a lv o r t e x ；m o d e le x p e r i m e n t ；v o fm e t h o d ； r n gk sm o d e l ；r k ek sm o d e l ； i v 目录 摘毒娶i a b s t r a c t i u 目录1 0 r 第一章绪论。1 1 1 龙滩水电站基本情况。1 1 2 选题背景简介一1 1 3 进水口前立轴旋涡问题。2 1 3 1 立轴旋涡的类型3 1 3 2 立轴旋涡对水电站的影响3 1 3 3 立轴旋涡的国内外研究现状4 1 3 4 立轴旋涡的研究意义6 1 4 本文主要工作。6 1 5 本章小结7 第二章模型试验研究。8 2 1 试验基本资料8 2 2 模型设计和制作1 0 2 2 1 模型设计1 0 2 2 2 模型制作1 1 2 2 3 观测程序1 3 2 3 试验结果观测1 4 2 4 试验结果分析16 2 4 1 进水口前的平面流速分布1 6 2 4 2 迸水口前流速沿高程的分布：1 9 2 4 3 流量对旋涡形成的影响2 2 2 4 4 临界淹没水深2 4 2 5 消涡措施2 5 2 6 本章小结2 9 v 第三章湍流基本理论和数值计算方法3 0 3 1 湍流的基本方程3 0 3 1 1 湍流的连续性方程3 0 3 1 2 湍流的运动方程3 0 3 2 湍流模型理论31 3 2 1 湍流模型分类3 2 3 2 2 湍流模型简介3 2 3 3 多相流模型3 5 3 3 1 混合物模型3 5 3 3 2 欧拉模型3 5 3 3 3v o f 模型。3 6 3 4 有限体积法3 6 3 4 1 基于f v m 的流体力学方程离散方法3 6 3 4 2f v m 的求解方法3 7 3 4 3f v m 的基本思想3 7 3 5 湍流模型比选3 8 3 5 1 盆池网格划分一3 8 3 5 2 边界条件设置3 9 3 5 3 模拟结果对比3 9 3 6 本章小结4 3 第四章龙滩水电站发电进水口前的三维流场仿真计算4 5 4 1 龙滩水电站发电进水口c f d 模型4 5 4 1 1 模拟区域与网格划分一4 5 4 1 2 边界条件设置4 5 4 2 仿真计算结果4 6 4 2 1 工况组合情况4 6 4 2 2 仿真计算各工况下水面流速分布4 6 4 3 模型试验结果。5 7 4 3 1 工况组合情况。5 7 4 3 2 模型试验各工况下水面流速分布5 7 v i v 龙涓l 靠电站发嚏u 眭水口，拉轴麓涡的研兜 1 1 龙滩水电站基本情况 第一章绪论 龙滩水电站位于广西壮族自治区天峨县境内，距天峨县城上游15 k i n ，是红水河梯级 开发中最大的水电工程，是以发电为主的综合水利枢纽，主要建筑物包括重力坝，泄水 建筑物，地下厂房及通航建筑物等。 工程计划分两期开发，初期正常蓄水位3 7 5 m ，相应库容为1 6 2 1 亿立方米，最大 坝高1 9 2 m ，死水位3 3 0 m ，最大水头1 5 4 m ，为年调节水库，装机7 台，容量为4 2 0 0 m w ， 发电量1 5 6 7 亿千瓦时。后期大坝加高，提高蓄水位至4 0 0 m ，相应库容2 7 2 7 亿立方 米，最大坝高2 1 6 5 m ，死水位3 4 0 m ，最大水头1 7 9 m ，为多年调节水库，增加机组2 台，使总装机容量达5 4 0 0 m w ，发电量1 8 7 1 亿千瓦时。 大坝为碾压混凝土重力坝，泄水建筑物置于河床坝段，设有表孔，堰项高程 3 5 5 3 8 0 m ，孔口b x h = 1 5 x 2 0 m ，溢流前缘长度为1 3 5 m ，两个底孔尺寸b h = 5 x s m ，孔 口底坎高程2 9 0 m ，设计下泄流量2 3 5 2 4 m 3 s ，校核下泄流量2 8 1 9 0 m 3 s ，两年一遇下泄 流量1 0 5 0 0 m 3 s ，表孔和底孔均采用鼻坎挑流消能形式j 发电系统布置在左岸山体内，引水管道直径l o m ，最大长度3 7 2 m ，主厂房洞室 3 9 0 x 2 9 x 7 4 m ( l x b x h ) ，单机最大引用流量5 6 6 m 3 s ，9 机组合计引用流量为5 0 9 4 m 3 s 。进 水口闸门尺寸b x h = s x l 2 m ，1 # , - - - 3 # 机底板高程2 9 0 m ，4 # - - 7 # 机3 0 5 m ，8 # - - 9 # 机3 1 5 m 。 1 2 选题背景简介 龙滩水电站工程是国家实施西部大开发和西电东送重要标志性工程。开发建设龙滩 水电站，对于推进西电东送，促进全国联网，在全国范围内实现能源资源的优化配置， 满足广东和广西地区电力增长的需要，优化华南地区电源结构和电力结构，减轻红水河 下游及西江两岸地区的洪水威胁，促进广西和贵州少数民族地区经济和社会的发展具有 十分重要的现实意义和战略意义。 龙滩水电站采用碾压重力坝，9 台机组地下厂房全部设在左岸地下。水流流近大坝 后则转向左岸，如图1 1 所示，形成一个大环流。水流旋涡呈漏斗状，是一种吸气旋涡， 消除龙滩水电站进水口前的环流及环流引起的旋涡成为水电站建成后是否能正常运行 龙潍水，站生蠢，进水口前丑翻，l 涡的研完 的一件大事，1 9 9 4 年中南院委托广西大学土木建筑工程学院进行龙滩进水口水流流态研 究。广西大学张仲卿教授带领团队制作了龙滩水电站的水力模型，在模型试验中就不同 水位、不同来流情况和不同的机组开启情况进行组合，对进水口前的立轴旋涡发生发展 情况进行研究。试验研究结果表明，在3 4 0 n i 和3 5 0 m 水位时，开7 # 9 # 机，进水口前有 立轴旋涡产生，试验中研究了多种破旋措施，虽然这些方案可行，但操作起来比较麻烦， 均不够理想。1 9 9 8 年中南院提出新的设计方案：将7 # 9 # 机喇叭口缩进来与1 # 6 # 呈 一条直线，并将8 # 9 # 机进水口底板降低到3 0 5 m 高程，与1 # 6 # 机高程相同。新的设 计方案试验结果表明模型发电进水口前的水流流态较好。此后又提出将8 # 9 # 机进水口 底板提高，减少开挖量，于是将8 # 9 # 机底板抬高到3 1 5 m ，最后的试验结果表明抬高 8 # 9 # 机底板高程至3 1 5 m 也是可行的，这也成为最终采用的设计方案。 图2 1 龙滩水电站进水口 f i g 1 - 1h y 酬i ci i n a k eo fl o n g t a nh y d r o 胛s 蛐 1 3 进水口前立轴旋涡问题 旋涡是进水口前最普遍存在的流体运动形式，它呈现了非常复杂的流动形态，包含 了极其丰富的物理内容。 立轴旋涡在溢洪道、电站引水管道、大型水泵、导流隧洞等水工建筑物进水口前时 有发生。立轴旋涡的存在，给水工建筑物和水电设备带来了严重的危害，也造成了巨大 的经济损失。然而，迄今为止对立轴旋涡的理论和数值模拟方面的研究成果较少，主要 2 走爿b k 电站发哇口七水口前j 晴旋涡的研究 的研究方法是针对具体工程的模型试验。有关立轴旋涡的研究成果规律性不强，实用范 围不广泛，因此不能满足工程设计的需要，还有漫长的探索之路要走。 1 3 1 立轴旋涡的类型 美国麻省w o r c e s t e r 综合研究所a l d e n 实验室较详细的描述了进水口前立轴旋涡的 发展过程1 1 ，并按照其发展过程中不同时期的特征，将自由表面旋涡分为六种类型，如 表i - i 所示。 表面涡纹和表面旋涡不会引起危害，在工程中是允许存在的。纯水旋涡和挟物旋涡 为弱旋涡，对机组和建筑物的危害不严重，在实际工程中应尽量防止其出现。间断吸气 旋涡和串通吸气旋涡为强旋涡，会严重危害建筑物安全，影响水电设备的运行，工程中 通常是不允许存在的。 表l - i 旋涡类型及特征 ! 垫! 宝! ：! ! y i 堡i ! 垫垒里垒垒型堕曼坠i 12 1 鱼呈2 查兰 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 类型特征 表面涡纹表面不下凹，表面以下流体旋转不明显或十分微弱。 表面旋涡 耋需，凹，表面之下有浅层的缓慢旋转流体，但未见向下 纯水旋涡 翥嘉鞣磊冀瓣慧漱曼鬻体形成明显 挟物旋涡蠢夏姥粱言呙零凇善凝；、，黼滁轿溉 间断吸气旋涡 表面下陷较深，旋涡间断的挟带气泡进入进水口。 串通吸气旋涡旋涡中心为贯通的漏斗形气柱，空气连续进入进水口。 另外根据孔口设置的位置【2 1 ，立轴旋涡可以分为底部孔口出流和侧部孔口出流两类 情况。目前，底部孔口出流较符合理论研究中的轴对称假设，可采用柱坐标下的n s 方 程分析三维流场。侧部进水口的旋涡形态复杂，研究难度较大。但是水电站的发电进水 口多属于侧部进水情况，作者在本文研究的龙滩水电站的发电进水口也是属于侧部孔口 出流情况。 1 3 2 立轴旋涡对水电站的影响 水电站发电进水口前的立轴旋涡对工程的主要危害表现为： a 降低过流能力 龙爿k 扣电站生哇口乇水口前j 0 哺麓漏的研究 b 加剧机组脉动，引发结构振动 c 降低机组效率 d 吸入水面漂浮物 仅就作者查阅到的资料而言，国内模型或原型中出现立轴旋涡的水利水电工程有龙 滩、漫滩、宝珠寺、小川沟、龙羊峡、石头河、黄坛口、托海、紫坪铺、水口、紧水滩 等。国外方面，g e h e c k e r 【3 】统计了在美国、日本、加拿大、前苏联、英国、印度等一 些国家存在立轴旋涡的2 0 例工程，其中7 0 的工程发生了较为严重的问题。 当然，任何事物都有其两面性，只要我们认清立轴旋涡的发展规律，我们就可以控 制和利用立轴旋涡。目前在法国和意大利建成的2 0 余座旋涡式竖井溢洪道，利用紧贴 竖井壁面的旋流在井壁上产生的附加压力和竖井轴线形成的气核，使溢洪道稳定工作， 有效防止在竖井及弯道处产生负压。此外，立轴旋涡也可用于发电、过木、排沙、排泄 浮冰和污物、提高水质等。 1 3 3 立轴旋涡的国内外研究现状 从上世纪以来，世界各国水利水电及水运工程建设快速发展。经过各国学者们不断 的探索和努力，在立轴旋涡的理论分析、模型试验、数值模拟方面都取得了一定的研究 成果，特别是积累了不少消除立轴旋涡措施方面的可贵经验。 理论方面，何学民等【4 j 采用定常轴对称假设，并认为可忽略沿轴向的变化，推导得 出理想流体旋涡运动可作势流处理，引入势函数简化n s 方程，得出了旋涡流场自由水 面方程。x i e l 5 , 6 】、杨正骏【7 1 假设旋涡的切向速度和轴向速度沿涡轴均匀分布，并认为进 水口以上径向速度为零。水流按渐变流处理，压力仅与水深有关。o s e e n 和s c h l i c h t i n g 【8 j 提出可记入粘性扩散作用的非定常衰减涡，推导出带有指数项的切向速度表达式。 b u r g e r s 9 】和o d g a m d p o , l l 】则认为径向速度与径向成线性关系，轴向速度与轴向成线性关 系，切向速度沿轴向不变且在同一层内分布均匀。j o h n 等0 2 推导出了吸气旋涡在轴对称 条件下的切向、径向和轴向速度表达式。陈云良【1 3 】等则认为立轴旋涡的径向速度和切向 速度既是径向r 的函数也是轴向z 的函数，引入分离变量计算出立轴旋涡为多圈螺旋流。 以上一些学者的研究总体都是基于一定的假设而得到的研究成果，基本只反映了立轴旋 涡在径向平面的特性，都不足以完全满足连续方程和n s 方程的理论解。 试验研究方面，q u i c k 【1 4 1 、d a g g e t t 和k e u l c g e n 1 5 】采用旋桨流速仪测量了旋涡附近的 切向速度，却没有测得径向和轴向的流速，所以没得到旋涡的整体流速分布规律，且测 4 龙蔫瞄k 龟j 占发龟进謇口前j ，晴焉的研完 量精度受到了仪器的影响。模型试验仍是研究立轴旋涡的主要方法。a n w a r t l 6 1 用水中的 悬浮颗粒作为示踪介质，避免了接触式仪器的干扰，得出了圆柱形底部孔口产生立轴旋 涡的切向速度与半径之间的关系；林宗粲【1 7 1 和杨正骏7 1 利用热线热膜流速仪，测量了闽 江水口水电站导流水工模型试验中存在的吸气旋涡，得到时均流速和瞬时流速，并用数 理统计方法分析了旋涡的三维流场分布规律。但是由于热线热膜流速仪探头较短，无法 进入较深区域进行有效测量，所以没能得出旋涡系统的流速分布特性。二十世纪八十年 代，出现了像激光多普勒仪( l d a ) 、粒子图像测速仪( p ) 等高精度流速测量工具， 对于立轴旋涡的试验研取得了质的飞跃。p i v 精度高，功能强，可以进行全流场的测量， 得出整个流场的速度分布。r u 强j 将二维的l d a 运用于立轴旋涡流场的测量，总结出了 旋涡的三维流场的流速分布规律。r a j e n d r a n t l9 ，硎运用p i v 对水泵进水1 3 的流场进行了精 细测量，分析了旋涡流场。何学民和汝树勋【2 l 】利用l d a 对进水口旋涡流场进行了量测， 给出了旋涡的切向、轴向、径向和紊动特性的分布特征，并比较了相同淹没水深和进口 尺寸条件下与无涡流场的差别。汝树勋1 2 2 等在某工程施工导流隧洞上安装了可反映低频 响应的脉动传感器，分别测量了立轴旋涡产生前后的进水口边壁的脉动压力，证明进水 1 3 前的立轴旋涡导致脉动压力增加两至三倍，引起建筑物的振动或空蚀破坏。唐洪武 2 3 1 等采用粒子图像测速仪( p ) 对旋涡的全流场进行了测量，并对切向、径向、轴向流 速及旋涡的形成条件进行了分析。桂林 2 4 1 等针对实际工程对水电站深式进水口阻力系 数、临界淹没水深和旋涡等进行了水工模型试验，结果表明进口阻力系数和临界淹没水 深都与取水口的布置有关，采用经验公式计算所得临界淹没水深偏安全，说明采用模型 试验来确定水电站取水口的布置方式是一种有效途径。我国对立轴旋涡的试验研究虽然 多，但都是针对实际工程进行的，基础研究还很少，应该充分利用l d a 、p i v 先进测速 仪器来研究旋涡的发生发展规律，从而指导进水口的设计。 数值模拟方面，随着计算机技术的飞速发展，出现了一系列c f d 仿真计算软件1 2 5 删， 如f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 、s t a r t - c d 等，为立轴旋涡的数值模拟提供了坚实的平台。由 于立轴旋涡的位置游离不定，尺度很小，且速度梯度很大，这对局部网格的高度细化、 计算机处理能力和数值计算方法都有严格的要求，特别是对于吸气旋涡自由水面的模拟 难度较大。l i 【2 7 1 和l a i l 2 8 2 川对水泵进水口模型进行的三维数值模拟采用标准k 一占两方程 模型，刚盖假定近似处理自由水面，有限体积法离散方程。刚盖假定法将自由液面看作 可移动无穿透的固体壁面，仅适用于自由液面波动不大的大体积水流宏观运动，但是还 不能模拟贯通式吸气旋涡。赵永志等【3 0 】采用结合v o f 法的标准k 一占模型模拟了盆池涡 5 龙爿b k 吨j 占篡：龟，i t 水口前j 由旋涡的研究 的涡动过程，出现了漏斗状吸气旋涡，分析了盆池涡的涡动机理。陈云良【3 1 1 等比选了标 准七一f 模型和r n g k s 模型，认为r n g k 一占模型更适合立轴旋涡的模拟。后又电站 取水口流场进行了仿真计算，模拟了进水口前缘的表面环流。总的来说，旋涡区网格构 造和自由水面处理是数值模拟的两大难点，计算结果与试验数据还存在一定差异，有待 进一步研究。 1 3 4 立轴旋涡的研究意义 国内外有多个水利工程的原型或模型中出现过立轴旋涡，这说明立轴旋涡在进水口 前经常出现，而且破坏力很强。如果要消除立轴旋涡，并且能够利用立轴旋涡，就必须 先认识立轴旋涡的发生和发展规律，探求其形成机理。 立轴旋涡长期以来都是水力学中的一个难题，至今未见对其三维水力特性的详细研 究报告。立轴旋涡的生成机理和规律性研究也非常罕见。立轴旋涡的研究涉及到水工建 筑物、水力学、数学物理方法，紊流力学等学科知识，与气象学龙卷风有关联性，因此 具有重要的科学意义。在工程应用方面，已建工程中出现立轴旋涡的，我们要对进行改 造；正在设计还未施工的，我们要有避免立轴旋涡产生的优化设计方案。目前，我们急 需对立轴旋涡的生成机理和规律性的研究，应用于实际工程中消除和利用立轴旋涡。 1 4 本文主要工作 本文的工作主要是对龙滩水电站发电进水口水流流态进行研究，具体内容如下： ( 1 ) 简述了龙滩水电站的工程概况和立轴旋涡的类型、对水电站的影响，介绍了 国内外对于立轴旋涡的基础理论、模型试验和数值模拟三方面的研究现状。立轴旋涡的 研究在科学意义和工程应用方面都有重要的意义。 ( 2 ) 通过物理模型试验对龙滩水电站发电进水口水流流态进行研究。试验记录了 处于不同来流条件，不同水位和不同机组组合发电时的模型进水口水流流态。重点研究 模型进水口出现最不利流态，即立轴旋涡的情况。对立轴旋涡在发电进水口前的发生和 发展与边界条件、水库水位、来流流量、不同机组组合发电和淹没深度等因素的关系进 行了探讨。 ( 3 ) 结合龙滩水电站的实际情况，在试验后提出了几种消涡措施。比较所提出的 消涡措施并选择其中一种消涡方案再次进行物理模型试验，试验的结果表明进水口前水 流流态平稳，无环流和旋涡产生，最终确定设计方案。 6 龙爿b 扣嚏口古擘二龟进水口期口谢冀涡的研究 ( 4 ) 为了提高对立轴旋涡细观结构的认识，通过对盆涡的涡动过程进行数值模拟， 比选分析r n g k s 模型和r k e k s 模型，选择最合适的湍流模型模拟龙滩水电站发电 进水口。 ( 5 ) 将龙滩水电站发电进水口在最终采用设计方案的水流流态数值模拟结果和其 物理模型试验结果进行对比，从而进一步确认选择的湍流模型是否合适，也再次验证模 型试验结果的准确性。 1 5 本章小结 本章简单介绍了龙滩水电站的基本情况，作者选题背景。概述了立轴旋涡的类型， 立轴旋涡的利弊，立轴旋涡的国内外研究现状和研究意义，提出了本文研究的主要内容。 7 龙滩水古冀l 进水口角扎口晴l 涡的研完 第二章模型试验研究 为了方便碾压混凝土重力坝施工，简化体型，缩短工期，将厂房置于左岸地下，相 应水流至坝轴线上游附近产生9 0 0 转弯，折向发电进水口，形成环流。为了论证进水口 各机组在不同水位和不同组合发电条件下前是否有立轴旋涡产生。如果有，则确定其发 生条件，发展过程及形状，并提出解决措施。 2 1 试验基本资料 本章通过制作龙滩水电站的水力模型，对其发电进水口前的水流流态进行试验研 究。试验基本资料如下： ( 1 ) 地形图：1 2 0 0 0 ( 2 ) 枢纽布置图 图2 1 龙滩水利枢纽 f i g 2 - 1l o n g t a nh y d r o - j u n c t i o n s 9 龙爿妇k 电坫j ：嚏u 蕾水口前孟叫妯靛涡的习”己 q蔷羞oll暮弓至d若jo iio嚅aalo磊量cin式瘩 田赛嘲5q廿妥封n忒匝 龙翻b 扣嚏口古鼍口七水口期阳蜥旋涡的研究 ( 3 ) 进水口闸门孔口尺寸b x h = 8 m x l 2 m ，进水口底板高程1 # - 3 # 机2 9 0 m 、4 牝7 撑 机3 0 5 m 、8 籼# 机3 1 5 m ( 见图2 2 ) ( 4 ) 坝高3 7 5 m 时，1 # , - - 7 # 机发电，水库死水位为3 3 0 m ，机组最大引用流量为 5 3 6 m 3 s 。 ( 5 ) 坝高4 0 0 m 时，1 札鲥机发电，水库死水位为3 4 0 m ，机组最大引用流量为 5 6 6 m 3 s ，最小水头即死水位时对应的流量为4 7 0 m 3 s 。 ( 6 ) 两年一遇洪水流量q = 1 0 5 0 0 m s ( 7 ) 汛期防洪限制水位3 5 9 3 m ，洪水期的起调水位为3 7 5 o o m ，底孔在二期导流 时启用，水位3 5 5 m - 3 3 0 m 时可能开启。 ( 8 ) 进水口开挖边坡均喷混凝土，其糙率系数n = o 0 3 3 。 ( 9 ) 淤沙高程2 8 7 6 m ，溢流堰顶高程3 5 5 m 。 2 2 模型设计和制作 2 2 1 模型设计 根据牛顿相似的基本原理，要求两个相似流动的牛顿数相等，要求相似流动中各种 性质的作用力与惯性力之间的比例相等但是由于各种力的性质不同，影响它的物理因素 也各不相同，在模型中要完全做到这一点是极为困难的，甚至是不可能的。 由于在进行模型设计和模型试验时，通常得不到所有的作用力均相似( 即全都保持 相同的比例) ，因此往往要求抓住水流现象中的主要矛盾，使得主要作用力的相似准数 在模型和原型中保持相等。实践证明，这种保证研究对象的主要作用力相似( 或近似相 似) 的做法，在工程中是能够满足精度要求的。因此，针对某一具体的水流现象进行模 型试验时，可将其起主要作用的某项单项力与惯性力的比值表示该单项力相似的相似准 则。因此，随着主要作用力的不同可得到不同的模型相似准则【3 2 1 。 在制作模型时，用到的相似准则有： a 重力相似准则( 模型与原型的弗劳德数f r 相等) ； b 粘滞力相似准则( 模型与原型的雷诺数r e 相等) ； c 弹性力相似准则( 模型与原型的柯西数c a 相等) ； d 表面张力相似准则( 模型与原型的韦伯数w e 相等) ； e 流动非恒定性的相似准则( 模型与原型的斯特鲁哈数s t 数相等) ； 1 0 龙滩水电站戋电避水口前立轴旋涡的研究 f 压力相似准则( 模型与原型的欧拉数e u 相等) ； g 紊流阻力相似准则( 模型与原型的谢才系数相等) 等。 龙滩水电站发电进水口的设计应满足在发电出流时，水流均匀扩散进入各孔口，在 不同水位取水时拦污栅处流速分布均匀且没有环流出现，以免有立轴旋涡产生造成不利 影响。所以模型的设计要满足进水口前的水流特性分布相似。如果模型与原型要满足以 上相似条件，就得考虑弗劳德数、雷诺数、韦伯数、环流强度参数、相对淹没深度及几 何条件等制约因数的相似。而以上的制约因数无法同时满足，考虑到发电进水口前水流 主要受重力作用影响，因此采用重力相似准则进行设计。 按任务书要求的模型范围：坝轴线上游9 0 0 m ，宽6 4 0 m ，包含发电进水口和7 孔溢 流坝段，结合试验场地和供水条件等综合考虑，长度比尺采用1 ：4 0 的正态模型，按重 力相似准则进行设计，相应各种比尺为 长度比尺；t l = 4 0 流速比尺九= 硝2 = 4 0 2 = 6 3 2 5 流速比尺如= 麓坨= 4 0 2 = 1 0 1 1 9 2 9 糙率比尺五= 硝6 = 4 0 6 = 1 8 4 9 时间比尺以= 硝佗= 4 0 2 = 6 3 2 5 力的比尺允r = 雹= 4 0 3 = 6 4 0 0 0 计算结果，模型长度2 7 5 m ，宽度1 5 4 m ，模型地形考虑淤沙作用取为2 8 0 m 高程， 供水流量按两年一遇设计为q = i 0 4m a s ，糙率为0 0 1 7 8 。 模型试验的具体内容如下： ( 1 ) 水库水位从3 3 0 3 7 5 m ，每隔l o m 作一次观测试验。 (