（环境工程专业论文）火（核）电厂蘑菇头式取水口水力特性研究.pdf

摘要 摘要 在火( 核) 电厂取水口中，蘑菇头式取水口是经常采用的一种取水型式。了 解和掌握这种结构型式的取水口水力特性，对工程设计与取水口布置具有重要指 导意义。本文在总结有关取水1 3 研究现状及研究方法的基础上，采用模型试验和 数值模拟相结合的方法研究和分析了蘑菇头式取水口近区水力特性。 模型试验研究中，采用粒子图像测速系统( p i v ) 对取水口及取水水域的速度 场进行了量测，并详细分析了不同工况下的取水口水力特性；采用r e a l i z a b l ek 一 紊流模型，对与试验工况相同的复杂三维流场进行了数值模拟。计算结果与试验 结果吻合较好，并得出比较一致的结论。主要成果有：( 1 ) 在不出现吸气旋涡的 情况下，淹没水深对取水窗口、近区水域的流速分布和其他水力特性的影响均较 小；( 2 ) 取水口内部及其近区流场具有明显的三维紊流特征，环境水流流速与取 水口平均流速之比r 是影响流速分布的主要因素：( 3 ) 在流动环境下，蘑菇头式 取水口的进水流速呈不均匀分布，其不均匀程度随r 的增大而增大，当月大于某 定值时，取水口内有水流穿过。研究结果表明，r e a l i z a b l e 女一占紊流模型可用来 预测取水口近区的流动。 本文采用p i v 技术对蘑菇头式取水口复杂三维流场进行量测，揭示了取水口 及其近区的水力特性，为取水口布置及设计提供了科学依据。 关键词：蘑菇头式取水口，水力特性，p i v 技术，r e a l i z a b l ek s 紊流模型 a b s t r a c t s t u d yo n y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c o fm u s h r o o ms h a p ei n t a k ef l o w a b s t r a c t t h em u s h r o o ms h a p ei n t a k ew e r ew i d e l yu s e di nt h et h e r m a la n dn u c l e a rp o w e r p l a n t so fc h i n a ，u n d e r s t a n d i n ga n dm a s t e r i n gt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co ft h i si n t a k e h a sn o t a b l ei n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c et oe n g i n e e r i n gd e s i g na n dt h ed i s p o s eo fi n t a k e b a s e do ns t a t u s q u oa n dm e t h o d so fr e s e a r c h ，t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h e m u s h r o o ms h a p ei n t a k ef l o ww a ss t u d i e dc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i n g u n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rd e p t ha n dd i f f e r e n tv e l o c i t y , d e t a i l e dx - y ix zp l a n e v e l o c i t yf i e l d sw e r em e a s u r e db yp i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) a n dc a r e f u l l y a n a l y z e d t h ec o m p l i c a t e d3 df l o wo ft h es a n l ew a t e rr e g i o nc o n c e m e dw e r e m a t h e m a t i c a l l ys i m u l a t e db yt h er e a l i z a b l e k st u r b u l e n c em o d e l ，c o m p a r i s o n so f t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t ht h em e a s u r e dv a l u e ss h o wt h e i rg o o da g r e e m e n ti nw h o l e t h em a i na s p e c t so ft h ew o r kp r o c e e d e da n dt h er e s u l t so b t a i n e dw e r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) i td e m o n s t r a t e dt h a tt h es u b m e r g e n c ed e p t hh a sl i t t l ei m p a c to nt h ev e l o c i t y d i s t r i b u t i o na n do t h e rh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ei n t a k ea n di t sn e a ra r e a ； ( 2 ) r e m a r k a b l e3 dt u r b u l e n c ec h a r a c t e r i s t i cw a sd i s c o v e r e di nt h ev e l o c i t yf i e l d s i n s i d et h ei n t a k ea n di t sn e a ra r e a ，i t sh i g hd e p e n d e n c eo nr ( 3 ) u n d e rc o n d i t i o no fd y n a m i ct h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na tt h ei n t a k ee n t r a n c e s h o w sn o n u n i f o r m i t y , w h i c hd e g r e ed e p e n d e n c eo nr “d r a u g h t p h e n o m e n aa p p e a r w h e nre x c e e d sc e r t a i nv a l u e c o n s i s t e n c yo ft h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s h o w st h a tt h er e a l i z a b l ek - st u r b u l e n c em o d e li sf i tf o rt h es t u d yo ft h ev e l o c i t y d i s t r i b u f i o no f t h ei n t a k ef l o w p r i m a r ys t u d ya b o u tt h em e a s u r e so ft h ec o m p l i c a t e d3 df l o wo fm u s h r o o ms h a p e i n t a k ew a sm a d eb yp i v ，t h er e s u l to fw h i c hc a ne n h a n c et h eu n d e r s t a n d i n ga b o u tt h e h y d r a u l i cm e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i co fi n t a k ee n t r a n c e ，a n dc a r la l s op r o v i d es c i e n t i f i c b a s i sf o rt h ed e s i g na n dd i s p o s a lo fi n t a k e s k e yw o r d s ：m u s h r o o ms h a p ei n t a k e ，h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c ，p i vt e c h n i q u e ， r e a l i z a b l ek 一t u r b u l e n c em o d e l i i 学位论文独创性声明： 本人所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：至笙2 0 0 6 年6 月圹日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外。允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海 大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：皇笙2 0 0 6 年占月，r 日 河海大学硕： i 学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，用电量呈现飞速增长的趋势，为了满足电力需求， 大量火、核电厂迅速兴建。我国电力用户多处在沿江或沿海地区，这些地区一般 都缺乏“水电”资源，因此不少大型“火电厂”及“核电厂”，都建在濒海、港湾、 河口地区，且大部分利用邻近水域作为冷却水的水源和受纳水域【“。 火、核电厂的取水由于要充当热机冷源及满足各种机组的冷却需要，其取水 条件和取水要求，相对于一般的工农业用水、城市供水的情况，有其自身的特点 2 】【3 】： ( 1 ) 取水量往往比较大：一座1 0 0 0 m w 的电厂，取水量超过3 0 m 3 s ； ( 2 ) 水量供应的保证率要求极高，在机组运行中不允许中止； ( 3 ) 通过冷却水的电厂凝汽器铜管直径较小( d o 一侧，即主要考虑对称流的半侧流场的流速分布情况。 河海火学硕：卜学位论文第二章蘑菇头式取水口的设计及试验系统的建立 15 1 a0 5 矗 0 i o 5 - 0 500 51152 y d 图2 6 取水口取水平面流速场( 流速单位：m ，s ) 为了更好地捕捉蘑菇头式取水口取水的水流结构，试验按不同断面进行量测。 断面布置如图2 7 所示。 。 a 4 - 一a 4 习“器三三矿三三筹 矗爿 立面图 图2 7p i v 系统量测断面位置示意图( 单位：m m ) 本试验进行了大量p 测速工作。针对取水口取水不同工况，从水平方向 ( x 叫) 、垂直方向( 工t ) 两个方位获取取水口附近的全场瞬态流速信息。图2 7 中 a - a 断面、b b 断面分别表示两个垂直方向的激光片光切面；各切面的二维流动 图像由数字化相机c c d 相应从水槽侧壁、水槽底两个方向摄得。 河海大学硕士学位论文第二章蘑菇头式取水口的设计及试验系统的建立 2 s 2 试验参数范围 试验中各控制参数变化范围见表2 1 。 表2 1 参数变化范围 参数变化范围备注 1 2 9 c m s来流平均流速 l l o 3 3 0 l ， l 3 2 c m 1 5 c m 取水流量 蘑菇头式取水口直径 引水管直径 1 0 1 4 1 c m试验水槽水深 取水窗高度 淹没深度 相对淹没深度 = q 0 “c 石i ) ) r = 2 5 3 试验方案与试验组次 试验按式( 2 5 ) 所反映的相应关系来组织，以流速比r 为主要变化参数，并 适当改变淹没水深，s 分别取1 、2 、4 。试验组次及工况见表2 2 。 按整体规划，试验分两个层次。首先是取水口内部流速分布，继而扩大为取 水口近区水域的流速分布，在两个层次的基础上，对取水流动作整体综合分析。 表2 2试验工况及组次表 组 水深 相对淹没 取水流量 虬。( c m s )v 0 ( c m s ) r 试验内容 次 川c m )深度肋q 0 ( l 1 1 ) 取水口进水流速平面 a1 4 141 1 0 o 3 3 0 00 1 3 o2 8 8 30 5 0 分布及垂向分布测量 取水口进水流速垂向 b1 1 7 2ll o m 0 3 0 oo l3 o2 8 8 3o 5 o 分布测量 墩水口进水流速平面 c1 05l1 1 0 0 3 3 0 oo 1 1 72 8 8 30 4 o 分布及垂向分布测量 炯 蛾 4 咖 h 一 q d d h s 蜘 月 河海大学硕士学位论文第二章蘑菇头式取水口的设计及试验系统的建立 2 6 本章小结 本章首先以某电厂单点式蘑菇头式取水口为原型，依据相似性准则对蘑菇头 式取水口结合试验水槽进行了模型设计，并以其为平台搭建了p i v 测速系统。对 a d v 及二维p i v 的工作原理进行了阐述，并对主要设备的特性进行了介绍。根据 量纲分析选取了合适的试验参数并确定了其相应的范围，对试验工况和试验组次 进行了整体设计，从而为进一步的系统试验奠定了良好基础。 2 6 河海大学硕士学位论文 第三章取水口近区流场测量及成果分析 3 1 概述 第三章取水口近区流场测量及成果分析 蘑菇头式取水口内部及近区流场具有三维、不稳定、紊动特性。它直接影响 着取水的安全性以及水泵的运行效率。为了获取全场瞬态流速的定量信息，试验 沿水槽水平、纵向两个方位设立了多个切面( 具体位置参见图2 7 ) ，然后利用p 技术测量不同工况下( 试验工况及参数见表3 1 ) 各断面流场。通过所获得的平面 流谱图，来认识蘑菇头式取水口不同工况下流场的三维流动特性。 表3 1 p l v 试验工况表 试验工况 水深 相对淹 取水流量 没深度“。( c m s ) ( c m s ) 月 试验内容 编号 皿c m )q 0 ( l m ) 协 a 1 - ol l o 0o 02 80 o a 。3 0 3 3 0 00 08 3o 0 取水窗口 a 一3 0 5 3 3 0 o3 3s 3o 5进水流速 a a 1 1 1 4 14 1 1 0 o3 32 81 0 平面分布 a 1 2 1 1 0 06 22 82 0 及垂向分 a 1 _ 41 1 0 09 92 84 0 布测量 a 1 51 1 0 o1 2 92 85 0 b 1 - o1 1 0 00 o2 8o 0 b 一3 o 52 2 0 o3 o5 50 s 取水窗口 b 一1 一l1 1 0 03 o2 81 0 进水流速 b1 1 72 b 一1 21 1 0 06 5 2 82 0 垂向分布 b - l - 41 1 0 ol o 5 2 8 4 o 测量 b l 一5 o o1 2 92 85 o c 1 0 1 1 0 0o 02 80 c 3 - o 3 3 0 o o 0 8 _ 30 o 取水窗口 c _ 3 一o 5 3 3 0 o3 98 30 5进水流速 cc 1 11 0 51 l l o 03 92 81 o 平面分布 c 2 2 2 2 0 01 1 75 52 o 及垂向分 c 1 31 1 0 08 88 - 33 0 布测量 c ，1 41 1 0 o1 1 72 8 4 o 试验工况编号说明如下：第一个字母a 、b 、c 分别代表试验组次；第一个数字代表取水 流量的大小，1 代表试验取水流量为1 l o o 三坍，2 代表取水流量为2 2 0 o 三历，3 代表取水流量为 3 3 0 0 i 抽；第二个数字代表r 值。 受p i v 拍摄范围所限，试验主要量测取水口上游o 5 d 和下游l d 间的流场。 以册= 4 时的工况为例，两个方位中，a 断面、b 断面的具体拍摄区域分别如图 3 1 中阴影区所示。 河海大学硕士学位论文第三章取水口近区流场测量及成果分析 洳匕= = a 断面 b 断面 图3 ，lp i v 拍摄区域( 阴影部分) 示意图 为了保证来流流动的均匀和稳定，在试验前，先用p i v 对流场的均匀性进行 检验。图3 2 显示了取水口前m 平面上的流速场测量结果，由图3 2 可见，取水 口上游来流的流场均匀性较好，说明水槽的各种控制条件设置较好，可以进行下 一步试验。 3 2 】【d 图3 2 取水口上游来流流速场( 虬= o 0 6 2 砒) 试验时，对每一个工况的各个断面逐次拍摄，每次持续2 s 。使用i n s i 曲t 软件 对每个工况的3 0 对图像进行互相关分析处理，并对被剔除掉的坏点的位置的数据 进行插值，得到各工况每一断面的3 0 幅瞬时流速场。然后，使用t e c d l o t 等图像 处理软件对图像进行后处理，以获得三个方向的时均流速”、v 和w ( 即3 0 幅图 各点三个方向的平均流速) ，瞬时流速“、v 和w ( 即每幅图各点三个方向的流速) 、 涡量和各种紊动参数( 如紊动强度和雷诺应力等) 。限于篇幅，本文仅列举部分典 型的时均流场图。图中线段长短和箭头分别表示流速矢量的大小和方向：云图颜 色分别表示流速矢量、涡量、雷诺应力或紊动动能的大小；取水口所在位置用实 线标出。 河海大学硕士学位论文第三章取水口近区流场测量及成果分析 3 2 取水窗口及近区时均流速分布 后处理软件中关于时均流速的计算公式如下 2 9 一 “= l 3 0 2 9 一v j v = l 3 0 2 9 一 w = 上o _ 3 0 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 试验中，时均流场图中。砌昭：而或w 砌昭：孑_ 孑，流速矢量方向 为二和；、五和i 的合速度方向。 3 2 1 不同水深、相同曰时取水口内部及近区流速分布特点 图3 3 ( 见丹扣3 5 ) 为不同水深、相同月时不同断面取水口内部及近区流速 分布( 图中v ”代表v b 加昭，v n 的大小，下同) 。靠近取水窗口水域的流速大小会 随淹没深度的降低略微增大，但流速分布范围、峰值所在区域位置及区域大小均 变化不大。取水口近区环境水域的流速分布变化也不明显。由此可以得出，试验 范围内，淹没水深的改变对于取水口内部及近区流速分布影响很小。 图3 4 ( 见p 3 6 ) 显示不同水深、相同只时取水窗口迎水端垂向流速分布。图 中可以看出，在静水条件下，不同淹没深度的取水窗口垂向流速分布基本重合， 说明在静水条件下，试验所选取的淹没水深的变化，对于取水窗的流速分布没有 影响。在流动环境下，随着流速比r 的增大，不同淹没深度，取水窗口垂向流速 分布略微不同。当胆o 5 时，三种水深条件下的垂向流速分布差别最大，淹没水深 为1 a 时，垂向流速峰值接近取水窗的下边缘，垂向分布不均匀，淹没水深为4 和2 时，垂向流速分布相对均匀。五= 1 和r = 4 时，三种水深条件下的垂向流速分 布基本致，流速峰值的大小增大( v v n 增大0 5 左右) ，且向取水窗下部偏移， 出现在z = o 4 o 5 之间。 分析可见，流速比r 相同时，淹没水深不同对于取水窗口的垂向流速分布影 响不大。由图3 4 、3 5 说明，试验范围内淹没深度的变化，对于取水窗流速分布 河海大学硕：i ：学位论文 第三章取水口近区流场测量及成果分析 以及取水口近区环境水域流速分布的影响不大，v v 0 沿取水窗口平面、垂向变化 较一致，取水窗流速分布的均匀性相对于淹没深度的变化并不敏感。淹没深度相 对于r 对于流速分布的影响，其影响属于小阶。但淹没水深较大时，取水窗口的 流速分布相对均匀。试验中，与淹没水深为4 矗和2 的工况相比，淹没水深为1 的工况由于水位较低，流速大小及分布的变化更大一些，故在以下的分析中，以a 、 c 为主要研究工况。 3 2 2 相同水深、不同且时取水口内部及近区流速分布特点 ( 1 ) 取水窗口垂向流速分布 相同水深、不同r 时的取水窗口流速沿水深方向分布见图3 5 ( 见p 3 6 3 7 ) 、 3 6 、3 7 。图3 7 中，v v 0 的方向以流进取水口的方向为正，流出取水口的方向为 负。 0 0102 03 o4 o5 06 0 7 00 01o2 o3 o4 05 06 07 0 ( a ) 工况a( b ) 工况c 图3 6 工况a 、c 不同尺时取水窗迎水端v 沿水深分布图( “加0 ，d = 0 ) 毒辚枣篓 - 10o o1 02 03 04 0 10o 01 o2 03 0 4 o ( a ) r = o 5( b ) 胆l 图3 7 工况c 不同占时取水窗外沿v 沿水深分布图 2 o 8 6 4 2 0 惶 泄 2 o 8 6 4 2 0 他 仙 姑 帅 2 0 8 6 4 2 0 1 ， 0 o 0 o o 2 0 8 6 4 2 o 1 1 0 o 0 0 0 河海大学硕士学位论文 第三章取水口近区流场测量及成果分析 z 加：一一i 一：；：+ e = o 一一j 一一j o隰蔓蠹 ： 一i j i 蔼 ：- ： ：* 一e 2 1 8 0 一吣一严j ： ： ：，f ： 澈f 一一一j 12 1d 0 8 o 6 0 4 0 2 0 0i 褡蠢 - 4 u 2 000z o4 0 6 f obu 5 03010103 05 0，09 o ( c ) 胙3( d ) 胆4 图3 7 ( 续) 工况c 不同口时取水窗外沿v 沿水深分布图 由图显见取水窗口垂向流速分布的不均匀性和不均匀的规律性： 工况a - 1 o 、c 1 0 流速矢量分布图显示，在静水条件下，取水窗口垂向流 速分布基本均匀，取水窗底部( 扔产o o 5 ) 流速相对较大； 流动环境中，流速比r ( r 1 ) 较小时，取水口垂向流速分布与静水条件 时相似，狮产l 之间流速大小差别不大，靠近取水窗底部( 扔f o 5 ) 流速相对 较大：流速比r ( r 1 ) 较大时，取水窗口垂向流速分布不均匀，靠近取水窗顶 盖( 。伪= 1 ) 和取水立管管口( 砌= o ) 附近，流速较小，流速峰值向砌= o 5 l 偏 移；而且随着流速比月的加大，流速的峰值加大，高速区范围增大； 取水口a 1 、a 2 断面流速分布显示，流速比r ( r 3 ) 较大时，取水窗口 x t 平面内的流速分布更不均匀，取水窗内有水流穿过，并且在取水立管内水流有 螺旋流动，取水效率降低； 图3 7 显示，臼= 3 0 。、1 5 0 。时，垂向流速呈明显的抛物线分布，垂向流速 峰值集中在珊= o 3 o 7 之间，且随r 的增大，垂向流速沿取水窗水深方向增幅增 大。说明在取水窗口不同角度的位置上，x 呀平面上垂向流速分布极不均匀，且随 r 的增大不均匀性增强； 当心2 时，取水窗口a l 、a 2 断面沿水深方向流速分布的变化已不明显； 由以上分析可以看出，取水窗口各断面进水流速分布与r 的明显依赖关系，r 愈大，流速分布愈不均匀。 ( 2 ) 取水口平面流速分布 图3 8 ( 见p 3 8 ) 为取水窗口流速沿平面分布的实测资料。b 2 、b 3 断面取水 口流速分布显示，进口流速平而分布沿平行于来流方向的直径呈对称性，基本不 受取水引水管在一侧的影响。鉴于流速平面分布的对称性，为便于对比和分析， 他 吣 河海大学硕士学位论文第三章取水口近区流场测量及成果分析 以口值为x 轴，将工况a 取水窗口垂向平均流速v v 0 沿口显示，图3 9 为不同r 时 的v ，日曲线，图中仅显示出基本对称流的半侧，v 的方向以流进取水口的方 向为正，流出取水口的方向为负。 誊4 3 2 1 0 1 2 u1 53 u4 55 07 59 01 0 51 2 01 3 51 5 01 6 51 8 0 护 图3 9 工况a 不同丑时取水窗外沿水深平均v h 沿程变化图 由图可见： 取水口流速的平面分布很不均匀，不均匀性随r 增大而增强； 静水情况下，取水口是圆形的汇，环境水流从取水口四周均匀进水；流动 环境下，流速比r l 时，取水口近区的环境水体在绕流的同时，一部分水体从取 水口迎水面( 口 1 5 0 0 时，取水窗口内的进水情况随五变化敏感。当r 较小时( 丑1 ) ， 此区间内的进水流速与口= 3 0 。时取水窗进水流速相近；但r = 3 时，这一区间内出 现明显的负流速。 由取水窗口垂向和平面流速分布可以看出，取水窗口流速分布有着同一规律： 取水窗口各测量断面取水流速与取水窗口流速理论平均值之比，随r 的变化，主 要出现在r 2 的情况；当r 2 ，r 的变化对口门进水流速分布几乎没有影响；流 速的最大值出现在取水窗口的迎流端( 即枷弘0 处) ，且随来流流速的增大而增大； 取水窗口中下部进水流速相对较大；当月等于o 时，取水口进水流速分布最为均 河海大学硕士学位论文第三章取水口近区流场测量及成果分析 匀，当o 2 ，垂 直影响范围在z 伪= 一1 1 5 之间，取水窗以下的水体受取水影响范围较取水窗顶盖 上的范围大一些；流动环境下，r = l 时，即取水口进水平面流速与环境水流流速相 等时，直接进入取水口的水域宽度与取水头部挡水断面宽度相当( 如图3 8 、3 1 0 中工况a - l l 的流速矢量分布图所示) ；随着r 增大，这个水域的影响宽度变窄， 进入取水口的是紧贴取水头部边缘的水体( 如图3 8 中工况a 1 3 的流速矢量分布 图所示) ； b l 断面显示，静水条件下，取水口顶盖以上的环境水域受到取水的影响， 水流向取水窗方向流动，因而在取水口顶部水深方向流速较大，水平方向的流速 较小，故流速呈低流速分布；有一定来流流速后，取水窗顶盖阻上的环境水体基 本不受取水影响，只是受取水窗项部边界层影响使流速减小； b 4 断面以及b 2 、b 3 断面显示，取水头部及取水立管作为水工构筑物对环 境水流有阻力作用：同一月时，取水窗下部因取水立管的作用，形成圆柱绕流， 因而阻流影响大于取水层；丑增大，阻流影响范围也随之增大。 综上所述，蘑菇头式取水口取水对其近区环境水域影响范围有限，且影响区 域范围随流速比r 的变化而变化，对环境水域的阻流作用较强，取水立管背水面， 圆柱扰流特性明显。取水口取水对于环境水域的影响范围随r 的增大而减小，而 取水立管对于环境水域阻流的影响，其范围随着r 的增大而增大。 il。 ；：l ： f 。暑 。 。 等 至算* 矗一：一：- “ _o t叫叩 u ，z i ：n 暑一：一：。 一- 1 u p a 矿 梏求螋螺凶魁*苍旧鉴匣k茗匿罂u 旧_ 0 _ 【- i q ，c 甾孟赠h c n 匝 3 电千 电r r 吣o o 蚺，o ”o ，c - o 呷n 叩 。岍 。a 口 o p 吨o - c o ，i c 叩n t 。岍 r “竹 叩叩1 o 岍。 口寓 ： f 景： 。 q o _ c 。 哔 【- o ，岍 nt ql _ o ，咿 n n 辖求眯摄嗡唰嚣喀螺凶雩口*蹲瓣撼 怯翠掣扑书醪扑k蝉磨 呈： 也 呈宝 6 呈宝 三 忙求艘媾邕心口簧哥旧蓝匠k鲁匿翼u 噎坚n d v 缶避h蝻u c n 匝 寸一u a 冀 旧努i v 0 寸i - ： f o 。 。 q 寸i ： p j d 。 ； l _ d ，怛 n 口 蜷求眯趟随唰露噻耀凶蜊*蹲料躲 戗秘掣扑卅巨扑k蝤窖 ! ! !氧 t 击6 。 导：! ；：。 ! i ：知h ：1 口 。x 一l 篙。 no心寸no rrooo oo iii喜三互5。l j 受受百西殳晏! 旦b 直 簧 。 。， 竺呈 罟害苫g暑 rt - ooooo lil喜ll ；l 4 j 暑：g 嗡il 篙 三h 西基bo 云日i 蕞 。苦睁8g & 受 g 臣茔! ：一 哑恬求唰水幽爆露曾旧蔷n二口髓*铎苔匿恃u，寒h电n匝 旧一 0 i - i - n o - c 皇 a i 【 o _ 【 宴 一 器蓍蔫一一弱璺。浏舄 _匕小jl” 黝珊吼卅|专专掣” =们ij i，l，；，u m川皿 u ，-i m m川址“ 二l 且“ 川川川m业 一 i，；0，j i i i i i i i i i i i i i 丑 l 。，1 兰jn _ j l，；，。o。jn 三 _ _ = _ 一 o，u 川川m m m 虬t u -_=二二= 湾 = = l l 寸电 p ) o n o 寸 o 竹 o n o r o o 。=(畏。凸蕞v匦忙焱媾*娶#j释繁剧缸繁铎留瞄匿罂 _【i此一。一 乜o j d u o 竹 o n o i o o o n o n o r ，赚匿怿气n函 * 艋岳v o = 凿 0 o o o oq o吨oo o o o n o r o o 翻fil0以 r l 吨o o l - o q i 0l扪o q 1 o - l 士口 o r 啦 “n口 o on o寸oo曲oo l j n l _ 嚣求眯趟唰器蠼媾凶蚪*并料躲 似秘掣扑巾醪扑k蝉毫 m i 嘲娜| l ；蚕；呈 ：俐：【 i i l 1 l i l ”1 1 l | l l lt 1 l l l t l l ”0 1 l i in 毒巍蒸匡删强燃崮! 售 量叠；：掣量i ? 一i ! i ： i l ，r ，m ，- 1 - - i ，1 _ 1 _ l l 。“ r l | | 8 ；趋 一一i _ 0 - - 斗 ，“l 蒌 。_ j 。 v 、 u u 固恬求删水鞠薅露譬旧蔷n二讴*群窖匿k u 旧鉴n o v 寸_ 【0 _ 【，o ，_ 【 3 7 ，s = 止墨i 西，时均应 变率s ，= ；( 磬+ 詈) ) ，如回流、漩流和分离流等，会导致负的正应力【5 5 。由于 流动环境下蘑菇头取水口取水中存在绕流和分离流等流动特点，为保证计算结果 的可实现性，本文的紊流模型采用r e a l j z a b l e 七一占模型。在r e a n z a b l e 七一占模型 河海大学硕：b 学位论文第赳章数值模拟计算 中，紊动粘性系数计算式中的系数巳不是常数，而是与应变率相关联的函数。文 献 5 5 】通过实验确定了气的计算式： 旷而 式中：4 = 4 ，o ，4 = 石c o s 痧，= a r c c o s ( 劲) 3 ( 4 6 ) ，矿：兰d 墨! ! 墨：， s u s 。 u = s ，s ，+ 旦u 昼。，昼。，= q ，一2 t 。 ，q 。= 五。一岛“q ，其中五。是从角 速度为q 的参考系中观察到的时均转动速率。 除吒的表达式外，文献【5 5 】中采用的耗散率方程也与标准后一占模型不同： 掣= 考 ( 可+ 毒 善 + q 声占一c z p 志 c 一 式中叫z 旷，c - 一a x p ，南 ，孑= 譬一- ( 2 啪) ”。 系数c l 与时均应变率s ，联系在一起，因此模型用于计算有旋的均匀剪切流，平面 混合流，后台阶流等，都取得了与实验数据比较一致的结果，能较好的反映各向 异性，较之标准的女一s 模型具有一定的优势。 4 2 2 流动定义和边界条件 为了减少设定的边界初始条件对计算结果的影响，计算中将进、出口边界位 置设于远离所关心的计算区域、且水流均匀处。计算结构与试验条件基本相同， 如图4 1 。计算主区域为一矩形盒以模拟实验水槽，其长宽高= 0 6 4 埘x o 2 m o 1 4 卅取水管由外径d = 3 - 2 c 珊，长三= 8 1 c m 的圆管模拟，引水管外径庐6 5 m m ，。 为便于对比分析，坐标定义与p 试验相同。 计算主区域边界条件设置如下： ( 1 ) 入流边界r l 进口的流速、温度及紊动特征量按本质性边界条件给出： 84 定给料 资澳 实 按 瓦 u 圳枷嵋 k k l u 矿引 阿海大学硕士学位论文 第四章数值模拟计算 紊动特征量i 、s 由下式分别给定： i l f = o 0 0 4 昕 s i 正：迸 4 9 删 式中，y 为离最近壁面距离；r = o 4 2 ，为v o n k a m 缸常数。 ( 2 ) 出流边界r 2 出口一般布置在足够远的下游，流动在此处已经比较均匀，各物理量沿程变 化很小，按充分发展条件给出： 娑l e ：o ( 4 1 0 ) 式中，咒表示边界外法线方向。 ( 3 ) 固壁边界r 1 采用粘性无滑移条件： f p k = o 窿睁。 心1 1 对于近壁网格点，采用壁函数修正，即假设尸点为距离壁面d 的一个近壁网 格点，在一般情况下，认为近壁单元中可分成粘性次层及完全紊流区两类情况。 设粘性次层中速度己广为线性分布，而在粘性次层外为对数分布： 与壁面相平行的流速壁函数： u ：笪攀：去衄母+ ) ( y 1 1 2 2 5 ) ( 4 1 2 ) 嘞巾 i y + 1 1 2 2 5 ) 式中，y = ! 业；盯= o 4 2 ，为v o nk 矗r h l 缸常数；e = 9 7 9 3 ；玑为| p 点流 速；砟为p 点紊动动能；f ，为壁面切应力。 紊动动能壁函数 近壁网格点的紊动动能之值仍然按照七方程计算，其边界条件取为： 婺i r 3 ：o ( 4 1 3 ) 紊动能耗散率壁函数 河海大学硕士学位论文第四章数值模拟计算 耻三筮( 4 1 4 )s 。= 2 o( 4 1 4 ) 勾，尸 ( 4 ) 自由表面边界l 鉴于试验水流自由面较为平稳，所以采用刚盖假定近似处理，并同时考虑自由 表面对紊动的抑制作用： f un = o 瓢：。 - ” 4 2 3 网格剖分 整个计算区域主要由个矩形盒和两个圆管组成，分别模拟水槽、取水管和 引水管。具体的网格剖分方法如下：采用不同大小的八节点六面体网络对水槽远 区计算域进行划分，其网格数为1 4 70 5 3 。为了使网格分布能较好地适应物理量场 的变化特点，在蘑菇型取水口及取水窗口附近区域采用四面体网格进行剖分，并 对网格进行加密处理，其网格数为1 97 2 8 ，整个计算域的网格数为1 6 69 2 5 。图4 2 为取水口计算网格平面分布图。 n 罩 ( b ) x y 平面 图4 2 计算区域平面分布的计算网格图 n 面。川趼 曲 河海大学硕士学位论文第四章数值模拟汁算 4 2 4 数值方法 控制方程的离散采用有限体积法( f i n i t ev o l u i n em e t | l o d ) ，空间离散采用二阶 迎风插值( s e c o n do r d e fu d 诵n d ) 近似方法，压力速度耦合基于协调一致的求解 压力耦合方程的半隐方法一s i m p l e c 算法，当无量纲残差小于4 l o 4 或所有监 视参数( 如速度、能量、紊动动能、耗散率等) 随迭代的增加不再变化时，认为 计算已经收敛。 4 3 数值模拟结果的验证 为检验数值计算结果的合理性，选取淹没深度为4 情况下典型工况的数值模 拟结果与相应工况下试验结果进行对比分析。着重对取水窗口流速场( a 1 、b 2 、 b 3 断面) 以及取水口近区的流速分布两方面进行计算结果验证。计算工况与参数 设定与表3 1 的试验工况相同。 在淹没深度为4 i l ，r = 1 和r = 3 的条件下，取水窗口速度场的p 测量结果与 数学模型计算结果的对比如图4 3 ( 见p 6 3 6 5 ) 所示。受p 拍摄区间的限制， 实测中缺少取水口远区的资料，但模拟计算可以把研究范围拓延到整个水体。取 其中对进水进沙最为关键的取水窗口外沿沿程v v n 垂向分布( 见图4 4 ，见尸6 5 ， 正负规定同试验) ，进行对比分析，可见： ( 1 ) 在取水窗口附近，由于存在较大的速度差，p 的测量分辨率略显不足。 对于流动相对复杂的取水窗口近区流速分布，数模计算与测量结果在整体分布上 及具体量值上都比较吻合，数学模型计算的速度场与p i v 的测量结果吻合较好， 说明建立的数学模型较好的复演了取水口速度场的运动变化规律； ( 2 ) 随着r 的增大，计算结果与试验结果之间的差异有增大的趋势；但即使 r 很大，两者分布规律仍基本相同。 从速度场试验结果与数值计算结果对比的情况来看，二者吻合程度较好，说 明本文所建立的数学模型对于蘑菇头式取水口流动规律和水力特性的研究具有良 好的适应性。 4 4 数值结果分析 根据数值计算结果，对本文所关心的不同流速比时取水口近区水力特性，以 6 0 河海大学硕士学位论文第四章数值模拟计算 及取水口取水对周围水域的影响等问题进行分析( 见图4 3 、4 4 ) ，结果如下： ( 1 ) 取水窗口沿程垂向流速分布显示，取水窗流速峰值集中在取水窗中下部 ( o 蕊蹲豳谬曩匿圈一 q o _ 【- i u l u 一) ( o o n o n o 。 l o 吣o o o 吣o o | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 0 | 0 | | | | 0 | | 0 | | | | | | 00 0 j 0 0 | | j | | | | j 0 8 翳 黼黼躐麟灞 il l l l l i i l l 1 il l l i f 一 8导曷高2 。 雩宥 山山x r呐ol f )p y ( m ) 6 暑 毒 辱 窖窨8高 山w x r 帅ol f ) r y ，( m ) d 暑 ； 辱 8 品 导 品e 叩 e 品) 窖 口 2 寸啦 丑靛眯姆禽筇唧琳本窖餐稽媾喧鉴c，ni*甾 3 n t 匝 _ 【_ i 0 9 。m 2踮e矿ol 。l o - 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