中图分类号: TV135. 1 文献标识码: A 文章编号: 1672-1683(2010) 05-0129-04
Review of Vortexes and Critical Submergence at Intakes
ZHENG Shuang-ling, MA Ji-ming, CHEN Hao-bo, NAN Chun-zi
Abstract: The vortex often occurs at the intake of hydraulic structure, and to avoid the vort ex, the hydraul ic charact eristics of vortex at intakes should b e studied. The cur rent res earch methods of vortex are mainly physical model experim ent s of some hydropow er project s. And th ere is als o relati vely large progress with the study on the theory and numerical model of vortex. The paper presents a brief review of the hydraulic charact eristics of vort ex and th e critical submergence at intakes, and classif ies the vortexes according to whether there is air- core or not . Then it analyses all the possible damages , inf uencing factors and scale effect of vortexes, and sum marizes the empirical formu lae of criti cal subm ergence at int akes. At last , th e paper indicates that in the future the prot otyp e t est and crit ical su bmergence at double- layer intake should be paid more attention.
Key words: hydraulics; vortex; critical submergence; in take; review
1 概述
漩涡极易产生于各种压力进水口前边, 如水电站进水口、泵站进水口、虹吸输水道等, 特别是大型水电站在低水位围堰挡水期就有发电任务, 进水口前的漩涡问题显得尤为突出。漩涡的危害很多, 可降低过流能力和机组效率, 卷吸漂浮物,引起一些有害的液压气动问题及机械问题等[1-6] 。
目前消除漩涡最简单且广泛采用的方法就是保证压力进水口前的淹没水深超过临界水深, 合适的不吸气最小淹没水深即为临界水深。在水电站设计中, 当水库的死水位确定之后, 临界水深就成为确定发电引水口高程的理论根据,因此,临界水深的合理计算有很强的实用价值。目前关于临界淹没水深的计算公式较多, 相互之间的差别也很大,对重要的工程, 往往还要通过模型试验进行研究验证。单纯增加淹没水深对工程并不经济, 此外, 有的工程受条件限制,必须采取其他的消涡措施[7-17]。因此, 研究漩涡的水力特性, 如产生的机理和影响因素等,是采取有效措施控制漩涡危害的前提。
进水口漩涡是极其复杂的水流现象,一直以来都倍受国内外学者关注。随着测量手段和计算机技术的进步, 进口漩涡的研究在物理模型和数值模拟等方面都有了很大的进展,并运用在实际工程当中。本文分析总结了有关漩涡特性和临界淹没水深的主要研究成果, 并对其进行了分析评价, 有利于使用者对具体公式的选择。
2 漩涡的水力特性研究
2. 1 漩涡的分类
漩涡的运动形态较为复杂, 有大尺度的准稳定性漩涡和小尺度的随机漩涡, 根据其运动形态可分为3 大类(如图1所示) : 表面凹陷漩涡、间歇吸气漩涡和贯通吸气漩涡[11]。
表面凹陷漩涡[如图1(a) 所示] 表现为水面轻微凹陷, 基本不吸气。对进水管道及机组没有危害。
间歇吸气漩涡[如图1(b) 所示] 水面下凹较深, 形成带有尾部的漩涡, 间歇性成串气泡带入。对机组的影响有一定危害, 应尽力消除这种漩涡。
贯通式漩涡[如图1(c) 所示] 存在贯通连续的空气通道,尾部经常吸气, 形成挟气涡流带甚至气囊[1]。进水口后积聚的气囊对流动具有阻滞作用,气囊在低压区会突然膨胀;气囊的存在, 使得水力机械的部件受力不稳, 诱发机械振动, 影响机组的安全运行, 应严格禁止这种漩涡的发生。
图1 进水口漩涡分类示意图
Fig. 1 Classification of vortex at in take
2. 2 漩涡产生的机理和影响因素
目前, 关于漩涡产生的机理研究较少。按流体力学的观点, 由边界不对称或不均匀流速等的影响而产生的逆压梯度将诱发漩涡。按照斯托克斯定理, 速度环量可以同涡量结合起来。Anwar等[18]根据实验结果, 建立起了流速与涡强间的关系曲线, 并由此区分出强漩涡区与表层漩涡区。Odgaard[19-20]通过简化N-S 方程给出了竖直进水口[如图2(a) 所示] 漩涡临界淹没深度的表达式:
式中: S 临界淹没深度; &UPSilon;进水口平均流速; σ表面张力系数; Γ环量; ν运动黏度; ε涡黏度。式(1) 同时考虑了弗汝德数、雷诺数、环量数和韦伯数的影响, 其中影响漩涡深度最主要的因素是弗汝德数和环量数[20] 。
图2 进水口示意图
Fig. 2 Sketch of in takes
Nevzat[21]忽略黏性的影响, 认为管道中心正上方表面水流入管道时即发生吸气漩涡, 通过势流叠加可确定流入管道的水体区域。当该区域刚好到达管道中心正上方水面时发生吸气漩涡, 由此得到了漩涡深度。
胡去劣[4] 结合南水北调穿黄工程, 研究了进水口[如图2(b) 所示] 随相对淹没水深变化时, 各种漩涡形式的分区, 得出无漩涡和偶发性串通漩涡区的临界弗汝德数, 分别称之为第一临界值和第二临界值, 即当进口弗汝德数小于第一临界值时, 不论进口淹没度大或小均无漩涡发生; 当进口弗汝德数小于第二临界值时, 不会发生偶发性串通漩涡。
段文刚等[1] 对三峡地下电站进水口的漩涡特性进行了试验研究, 结果表明, 安装拦污栅结构后, 进水口前的漩涡形态发生明显改变, 无吸气漩涡产生。因为由各式板、梁、墩组成的拦污栅结构, 起到了消涡板(梁) 的作用, 使进口水流条件得到改善, 改变了漩涡产生的边界条件。
综合现有研究成果, 影响进水口前立轴漩涡的因素主要包括[3-9,16] : 相对淹没水深S/D, 弗汝德数Fr (重力参数) , 雷诺数Re(黏性参数) , 韦伯数We (表面力参数) , 及行近水流环量数NΓ(环流参数) 。若以Φ表示漩涡产生的强度参数, 则:
Φ= f ( 进口形式, S/ D, Fr , Re, We, NΓ, ) (2)
；S 淹没水深; D 进水口直径; v 进水口流速;ν, σ,ρ水的运动黏度、表面张力系数和密度; Q 流量;Γ水流的初始环量常数。
一般研究认为, 只要雷诺数和韦伯数超过其临界值, 就可以忽略水的黏性和表面张力对漩涡运动的影响。对于实际工程而言, 一般雷诺数和韦伯数都足够大, 故可忽略不计。因此在已有的研究成果中, 影响漩涡的主要因素还是进口形式、相对淹没水深和弗汝德数, 也有部分包含了环量数。
2. 3 漩涡产生的缩尺效应
缩尺效应指物理模型仅按主要支配力相似律而忽略其他作用力相似设计, 控制参数不能按同一比尺缩小, 因而在模型中, 某些水力现象表现不出来, 当模型值引申到原型时, 就会产生误差, 出现失真, 甚至完全相反的结论[5, 11]。
目前, 虽然关于进水口漩涡的数值计算已有所进展, 但对于具体工程, 大多需要通过物理模型进行验证。物理模型一般采用重力相似准则, 由上节可知, 漩涡的影响因素除进水口型式外, 还受弗汝德数、黏滞力、表面张力等参数的影响, 这些参数不可能同时满足相似, 模型水流不完全取决于重力相似,因此, 必须考虑缩尺效应的问题。
目前关于漩涡缩尺效应的研究较多, 但差异较大, 没有统一的观点, 主要按重力相似准则, 考虑雷诺数或按等流速准则。当前常用的漩涡模型相似设计方法是: 按弗汝德准则模拟, 使黏滞力和表面张力的影响处于次要位置, 即保证模型雷诺数Re>30 000, 韦伯数We≥120, 当Re 和We 低于上述两个值时, 可适当增加流量或流速, 以减少缩尺效应[5] 。
高学平等[5]通过不同的模型比尺对漩涡的缩尺效应进行了研究, 得出当模型进水口处的雷诺数Re≥34 000时, 黏滞力的影响可以忽略, 表面张力对漩涡无明显影响, 此时, 按弗汝德数设计的模型可不考虑缩尺效应。此外, 还给出了雷诺数不满足上述条件时, 消除缩尺效应需要增加的流量倍数。
胡去劣[4] 通过N-S 方程, 在满足漩涡表面形状和重力相似的情况下, 推导计算出了水的黏滞性和表面张力对漩涡的比尺效应系数。
Padmanabham 等[22] 研究了行近流速雷诺数对有旋运动旋转程度的影响。结果表明缩尺模型试验必须超过一定的雷诺数, 否则, 模型率的影响是很大的, 这样以重力准则设计出的模型不一定能真正揭示原型应有的物理现象。至于黏性对进水口临界深度的影响, Denny[23] 曾利用不同黏度的油进行过研究, 实验表明黏度的影响是很显著的。这类问题的本质就是要同时考虑重力相似准则和雷诺准则, 但实际模型试验中很难满足。
3 临界淹没水深
当进水口型式一定时, 临界淹没水深值主要与弗汝德数、环量及雷诺数等有关。由于临界淹没水深的影响因素众多,其计算公式也很多[5, 9, 11] (进水口形式及各参数如图2 所示) 。1970 年Gordon[17]根据29个常规电站取水口的原型观测资料得到临界淹没水深的经验公式:
S= cv√D (3)
式中: S 临界淹没深度(m); D 进水口直径(m); v 闸门处水流流速(m/s) ; c系数, 正向引水时取0. 55, 侧向引水时取0.73。
将Gordon 公式无量纲化, 可得:
其中, 正向引水时c′= 1. 72, 侧向取水时c′= 2. 28。
Gordon 公式被写进了我国的行业规范, 但清华大学、长江科学院等单位的平行试验, 以及我国的工程案例调查表明,按Gordon 公式确定的最小淹没水深并不能保证不产生吸气漩涡, 对于大型水利工程, 要特别注意围堰挡水期低水位发电的问题, 例如, 我国的三峡工程在135 m水位发电时, 虽然可以满足Gordon 公式, 但仍然采取了破漩措施。
马吉明等[24] 分别对三峡进水口有拦污墩和无拦污墩的临界淹没水深进行了研究, 试验表明, 拦污栅墩及其支撑的破漩作用, 只是减小了吸气漩涡的强度, 但却增加了漩涡产生的频率, 并不能有效减小临界吸气深度或使吸气漩涡消失(为了进流的平顺, 栅墩可能是对称设计, 也可能是不对称设计) , 其原因是栅墩绕流后部尾流的不稳定性导致了漩涡的产生。试验给出了适用于高流速、大流量水电站进水口的临界吸气深度经验公式:
马吉明等[8, 25] 还通过三峡进水口的大比尺模型试验, 对双孔正向进水口的淹没水深进行了研究, 进水口前设有直列式均匀布置的拦污栅, 得到类似Gordon公式的经验公式:
研究发现, 双孔进水口的流态要明显好于单孔进水口, 其原因可能在于, 在同样的引水流量情况下, 双孔进水口内的流速要低得多。
Gulliver等[26]根据57 个工程资料统计, 认为侧式进水口在弗汝德数小于0. 5 时, 临界淹没水深与弗汝德数的关系式为:
PenNIno 等[27] 根据美国Alden 13 个抽水蓄能电站进水口(侧式与井式)的模型试验资料, 提出抽水蓄能电站进水口不论其形式和在水库中的位置, 不出现吸气漩涡的条件为:
Daggett 等[28] 推导出的临界淹没水深仅与环量及雷诺数有关, 与弗汝德数无关。
Jain 等[29] 通过对影响立轴漩涡运动因素的量纲, 以及模型试验结果的分析, 研究了竖直取水口漩涡形成的条件, 提出临界淹没水深的计算公式:
其中, NΓ* = ΓS/ Q, K 为黏性修正系数。
从上可知, 由于研究方式和进水条件不一样, 得出的临界淹没水深公式差异很大。大部分公式只考虑了弗汝德数的影响, 有的公式仅考虑了环量的影响, Odgaard 公式[见式(1)] 最为复杂, 应用不便。由于Gordon 公式来源于实际资料, 表现形式简单, 计算方便, 应用最为广泛, 我国%水电站进水口设计规范&就是采用此公式[15]。而在实际工程中, 经验公式只能提供初步参考, 还应根据水工模型试验对该计算值进行修正。
随着人们生态环保意识的增强, 工程设计中提出了电站进水口的生态水力学问题, 这类进水口通过设置叠梁闸门而在较浅的位置取得温度较高的水体发电, 这有利于下游河道鱼类及其它生物的生长。这是有别于传统进水口的新型引水发电进口。目前, 这类进水口的进口漩涡问题尚未进行研究。
4 结论及建议
漩涡广泛存在于各种进水口前, 是一种复杂的紊流运动。目前, 漩涡的研究在理论、实验和数值模拟方面, 都有了比较大的进展。由于其影响因素繁多, 涉及到进水口条件、淹没水深、水的运动特性、黏滞性和表面张力等, 关于漩涡诱发的机理认识还有待进一步研究。
由于考虑问题的角度不同, 确定淹没水深的公式表现各异。从应用的方便性来考虑, Gordon 公式无疑是最好的选择, 它考虑了正向进水和侧向进水。但对于重要的工程, 由Gor don 公式给出的最小淹没水深必须给出一定的安全裕量。
漩涡的实验研究多基于室内物理模型, 由于存在缩尺效应, 应重视并加强电站进水口的原型观测, 分析总结不同边界条件下的临界淹没水深值, 这对缩尺效应的修正有重要价值。
无论模型做得多大, 缩尺效应总是存在的, 因此考虑复杂边界条件下(非对称拦污栅墩、弧形拦污栅、叠梁闸门等) 特大尺寸进水口的水力学问题有赖于数值模拟, 目前这项工作基础尚比较薄弱, 特别是考虑电站进水口的生态水力学问题时更需要数值模拟工具辅助研究。
此外, 目前关于漩涡及临界淹没水深的研究基本为单道单管引水, 双层进水口或多进水口的研究较少。实际工程中多台机组、多层引水的水工布置方式(如电站进水口下部设置排沙管道) 已很常见, 这类进水口的条件已不是以前单层引水的简单布置, 下层取水口的隐形漩涡对上层进水口也会有影响, 如果仍然采用以前的公式显然是不合适的。因此针对多层引水、多台机组的布置方式, 研究漩涡特性及临界水深问题不仅有利于进一步认识压力进水口的漩涡诱发机理, 而且能够为实际工程提供参考依据。
作者简介:郑双凌(1979-) , 女, 湖北京山人, 工程师, 硕士, 主要从事工程水力学方面的研究。
