闸门局部开启的闸前吸气漩涡形成机理研究

Generally, the overflow dam or spillway of the key water control project is controlled by the hydraulic gate. When the gate is running partially open and in a certain of critical submergence, vortexes would be easily formed in front of the gate. Subsequently when the inspiration vortex were formed, it would deteriorate water flow regime, cause water through the gate vibrate, reduce the discharge capacity, induce the gate vibration, and cause the cavitation and cavitation erosion. To accurately determine the critical submergence and effectively eliminate the inspiration vortex is one of the difficult problems in the area of engineering fluid mechanics. This project will study the spillway of the water conservancy project with combination of theoretical analysis, numerical simulation and model test. In this study, 3D PIV, namely particle imaging velocimetry, will be used to attain the accurate three-dimensional flow field characteristics data of vortex before the gate. Then the theoretical analysis and numerical simulation will be used to reveal the relationship between the related hydraulic parameters and geometric parameters of the vortex, study the formation mechanism of the inspiration vortex, determine influence factors of the submergence, propose measures to eliminate vortex, and improve the vortex theory further. As a result, the research has important theory significance and application value for engineering practice.

水利枢纽工程的溢流坝或溢洪道大多数由水工闸门控制，当闸门局部开启运行时，在一定的临界淹没水深作用下，闸门前很容易形成漩涡，当产生吸气漩涡时，会造成恶化水流流态、引起过闸水流振荡、降低泄流能力、诱发闸门振动及造成空化空蚀等危害。准确地确定其临界淹没水深和有效消除吸气漩涡一直是工程流体力学的难点之一。本申请项目以水利枢纽工程泄洪表孔为研究对象，采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法进行研究，应用三维粒子成像测速仪(PIV)获得精准的闸前漩涡三维流场特性数据，通过理论分析和数值模拟揭示漩涡的相关水力参数和几何参数的关系，研究吸气漩涡的形成机理，确定淹没水深的影响因素，提出减弱或消除闸前吸气漩涡的方向和工程措施，进一步完善漩涡理论。该研究具有重要的理论意义和实践应用价值。

当水工闸门局部开启运行时，闸门前容易产生漩涡，为了避免闸前漩涡对闸门造成危害，本项目对闸前漩涡进行了系统地研究。主要研究内容和成果包括：（1）通过开展圆桶试验研究了立轴漩涡的水力特性，得到了漩涡切向/径向流速、涡核半径、环量、水面线等数据，揭示了漩涡流场各水力参数的变化规律。建立了描述漩涡流场的数学模型，包括切向/径向/轴向流速、水面线以及涡核半径的计算公式。通过与前人建立的模型或试验数据对比后发现，新建立的数学模型精度更高，且形式简单易于应用。（2）通过模型试验研究了闸门局部开启时闸前漩涡的水力特性。试验表明闸前漩涡总是成对出现的，其影响因素包括闸前水深、闸门开度、进水口弗劳德数和来流环量等。闸前漩涡存在上下两个临界淹没水深，当闸前水深在这两个临界淹没水深之间时，将有吸气漩涡产生，且此时闸门开度或弗劳德数越大，漩涡越强。在临界淹没水深下限附近，来流环量作用较弱，但在其上限附近，来流环量作用明显。（3）本项目研究了当水流的粘性力和表面张力对闸前漩涡水力特性的影响可忽略时的临界雷诺数和临界韦伯数，揭示了粘性力和表面张力的作用机理。试验表明，按照重力相似准则设计模型时，当行进水流的雷诺数Re≧51000，韦伯数We≧142时，可以忽略粘滞力和表面张力对闸前漩涡的影响。（4）在考虑进水口宽高比、弗劳德数和行进水流环量三个影响因素的基础上，建立了闸前吸气漩涡的上、下限临界淹没水深公式。通过与前人所得到的试验数据进行比较，证明了新建立理论公式的合理性，且适用范围较广，不仅适用于计算闸门前吸气漩涡的临界淹没水深，还适用于结构不变的侧部进水口和立轴进水口等情形。（5）本项目提出了竖向消涡隔栅法的消涡措施，并进一步研究了闸门开度、门前淹没水深、隔栅位置、隔栅宽度等因素对消涡效果的影响，分析了消涡隔栅的消涡原理。模型试验和数值模拟均表明，通过在闸门前布置两对竖向的消涡隔栅能够取得良好的消涡效果。