水工建筑物进水口漩涡生成的影响因素研究

The vortex has been observed frequently at the intakes of hydraulic structures. Movement forms of vortex are complicated. The experimental investigations mainly pay attention to the actual projects and the anti-vortex measures. It is lack of the research for vortex detailed mechanics of vortex formation. An analytical, computational, and experimental study will be conducted to describe key influencing factors at hydraulic intakes. The relations between velocity gradients, velocity circulation, turbulent strength distribution, critical submergence and the formation of vortex will be studied. Based on the vortex strength corresponding different kinds of vortex, the relations will be obtained between velocity circulation and critical submergence. The results would be benefical to anti-vortex in engineering practice.

水工建筑物进水口漩涡现象很普遍，其运动形态极为复杂。现有研究针对具体工程项目的试验研究多，提出的实用措施多，但规律性的研究和探讨漩涡的生成机理的基础理论研究较为 欠缺。本项目以进水口漩涡为研究对象，采用模型试验、数值模拟、理论分析相结合的研究方法，研究漩涡生成的主要影响因素，完善漩涡的生成机理。具体内容包括：研究流速梯度、速度环量和临界淹没水深等与漩涡产生的关系；针对试验中不同漩涡形态（如表面凹陷涡、间歇 吸气漩涡、连续吸气漩涡）所对应的漩涡强度，结合数值模拟，建立速度环量与临界淹没水深的定量关系。研究成果可为水利工程防控有害漩涡提供重要参考。

漩涡运动是水工建筑物进水口中较为常见的现象，漩涡的运动形态极为复杂，有大尺度的准稳定性漩涡和小尺度的随机出现的漩涡，当漩涡转变为贯通性吸气漩涡时，对工程结构会产生危害。如减少进流量、降低流量系数；引起机组或结构物的振动；降低机组效率；卷吸漂浮物、堵塞或损坏拦污栅等。目前探讨漩涡形成机理的基础理论研究较为欠缺。因此，本项目以进水口漩涡为研究对象，采用模型试验、数值模拟、理论分析相结合的研究方法，研究漩涡生成的主要影响因素，完善漩涡的生成机理。. 建立了水槽试验模型，进行了多种工况的试验，量测了流速，压强，波动等数据，获得了大量的试验资料，对进水口随机出现的吸气漩涡的特征和影响因素进行研究。结果表明：进水口附近水面随机出现的吸气漩涡数量的历时过程具有和紊流相似的“拟序结构”特性。以随机出现的吸气漩涡的试验研究为基础，采用现代紊流理论中的紊流拟序结构的概念，对进水口漩涡的形成机理进行分析。结果表明：来流边界的水流紊动显现的水面微波是进水口附近随机出现的漩涡的诱因。采用数值模拟分析进水口漩涡的影响因素，研究了流速梯度、速度环量和临界淹没水深与漩涡产生的关系。结果表明：漩涡的形成存在着一个速度环量随时间递增的过程。建立了系列模型，进行了多种工况的试验，数值模拟出的漩涡，其形状、大小及位置与模型试验结果吻合较好，试验观测到的漩涡运动和数值模拟得出的质点运动轨迹均为螺旋流，运动规律相同。.