双有压进水口布置型式对漩涡特性的影响

刘 东，王 奔，胡梅丛

(长江科学院 a.水力学研究所;b.信息中心，武汉 430010)

双有压进水口布置型式对漩涡特性的影响

刘 东a，王 奔b，胡梅丛a

(长江科学院 a.水力学研究所;b.信息中心，武汉 430010)

水工建筑物有压进水口吸气漩涡对建筑物和水力机械有一定的破坏作用。探讨漩涡尤其是吸气漩涡的产生机理，揭示其运动的规律，寻求控制漩涡危害的有效措施，对工程具有实际意义。以往对进水口漩涡特性与影响因素研究主要集中在单道单管引水，关于双进水口或多进水口的漩涡特性的研究较少。选取双有压进水口淹没出流，针对不同淹没水深，通过改变进水口体型及布置型式，观测水面流场及漩涡特性。研究发现随着相对淹没水深的增加，吸气漩涡持续时间、频率及强度均降低；不同淹没水深情况下，立轴漩涡的直径及强度随着淹没水深的不断增加呈现先变大后减小的变化过程；适当增大进水口间距能够改变漩涡类型，降低吸气漩涡持续时间及其出现的频率。

双有压进水口；布置型式；吸气漩涡；流态；流速

1 研究背景

在水利工程中，有压进水口吸气漩涡是一个很突出的问题。近年来，我国水利水电事业发展迅速，许多大型工程在建或已经建成。在电站引水管道、导流洞、泄洪洞、大型水泵的进口都容易形成吸气漩涡，这些漩涡有可能引起进水口流态恶化、卷吸空气、降低过流能力、卷吸漂浮物、加剧水流脉动等危害，对水利工程的安全运行造成威胁。

以往对进水口漩涡特性与影响因素研究基础主要为单道单管引水，集中在弗劳德数、相对淹没水深和进水口形态上，关于双层进水口或多进水口的漩涡特性的研究较少。邓淑嫒[1]、Gordon[2]、Daggett[3]、Jain[4]、Odgaard[5]、胡去劣[6]等提出了计算进水口临界淹没水深的经验公式，然而由于问题的复杂性，关于漩涡的研究迄今为止都没有一套很成熟的理论。目前关于水工泄水建筑物进水口[7]、船闸输水系统[8]等漩涡产生及消涡措施虽有一定研究，但大部分是通过模型试验来进行的，其理论研究还比较欠缺，数值模拟的研究也比较少见，研究成果还难以完全满足工程实践的需要。因此有必要从理论上研究立轴漩涡运动，对立轴漩涡形成和发展过程进行理论分析，寻求削弱或遏制立轴漩涡的理论基础。本文在不同水位、不同进口体型、不同边界条件下对立轴漩涡的形成、发展和变化规律进行了试验观测，分析了不同漩涡类型的流场特性，总结了双进水口不同工况下流场的分布规律。

2 试验研究

2.1 试验设计

试验在底板水平的矩形槽中进行，水槽长4 m，宽1.0 m，高1.5 m。有压进水口为方形，分4个体型，其中体型1设1孔，孔口尺寸为200 mm×200 mm(宽×高，下同)；体型2至体型4设2孔，各孔孔口尺寸为100 mm×200 mm，两孔间距L分别为5，100，200 mm。进水口所在迎水面和两侧边壁均用整块透明有机玻璃制作成观测段，模型整体布置见图1，各孔口体型见图2。

图1 模型整体布置图Fig.1 General layout of the test model

图2 孔口体型Fig.2 Patterns of orifice

图3 流速测点布置Fig.3 Arrangement of velocity measurement points

2.2 流速测量 采用三维超声波多普勒流速仪(Micro-ADV)测量流速。流速测点布置见图3，玻璃水槽内距进水口每20 cm设置一流速测点断面，分别为Ⅰ—Ⅳ断面，各断面间隔20 cm横向布置4个测点，每个测点分别量测距进水口底缘深度z=0，0.1，0.2 m流速。

2.3 进水口随机出现漩涡统计方法

试验中采用定时采样和定总数采样2种方法对随机出现的吸气漩涡进行统计，对随机出现的吸气漩涡在时间历程中出现频率进行分析。具体方法为：调节上游水位和下游阀门，保证流量40 L/s不变，淹没水深H分别为5，10，15，20 cm，多次观测随机出现的漩涡，每次观测10 min，记录随机出现的漩涡的个数和类型，观测随机出现的吸气漩涡出现率及规律。

2.4 试验工况及条件

根据不同进水口淹没水深及孔口型式，试验工况见表1。模型流量为40 L/s，各体型两孔间距L与孔口宽度a比值A分别为0，1/20，1/1，2/1(以下简称相对间距A)，各淹没水深与孔口高度b(200 mm)比值B分别为1/4，1/2，3/4，1/1(以下简称相对淹没度B)。

表1 试验工况

3 试验结果分析

3.1 流 态

表2为不同进水口布置型式和不同淹没水深情况下，以漩涡最大直径、总持续时间、数量和出现频率等指标描述漩涡的水力特性。各工况漩涡出现频率见图4。

表2 漩涡特性

图4 各工况吸气漩涡出现频率

由表2、图4可以看出，进水口间距一定的情况下，随着淹没水深的增加，漩涡总持续时间减少，吸气漩涡出现的频率大幅度降低。进水口相对间距A=0体型下，相对淹没度B=1/4时，吸气漩涡总持续时间为522 s，其漩涡出现概率为87%；随着相对淹没度增加至1/1，吸气漩涡总持续时间降低为198 s，出现频率仅为33%。其他各体型下，规律基本一致。进水口相对间距A=2/1体型下，随淹没水深的增加，吸气漩涡出现频率由58%降低为8%。

相同淹没水深情况下，随着2个进水口相对间距的增加，漩涡总持续时间及频率减小，吸气漩涡强度明显降低。淹没水深10 cm，即相对淹没度B=1/2时，孔口相对间距A=0体型吸气漩涡出现概率为58%，相对间距A=1/20，A=1/1及A=2/1时，吸气漩涡出现频率分别为55%，43%，41%；淹没水深20 cm，即相对淹没度B=1时，相对间距A=0，A=1/20，A=1/1，及A=2/1各体型吸气漩涡出现概率分别为33%，26%，19%，8%。可见在泄流能力一致的条件下，改变泄水建筑物的体型，适当增加进水口间距,可降低进水口前吸气漩涡产生强度。

各工况中最大吸气漩涡直径变化见图5，相同体型不同淹没水深情况下，吸气漩涡的直径随着淹没水深的不断增加呈现了先变大后减小的变化过程。相对间距A=0(L=0)时，随着淹没水深的增加，各工况最大吸气漩涡直径分别为2.1，3.3，2.4，1.5 cm，最大漩涡直径发生在相对淹没度B=1/2(淹没水深10 cm)工况，直径达到3.3 cm；相对间距A=2/1(L=200 mm)时，随着淹没水深的增加，最大吸气漩涡直径分别为1.5，2.2，1.4，1.4 cm。各体型条件下，出现最大吸气漩涡直径均发生在相对淹没度B=1/2(淹没水深10 cm)工况，且随着进水口相对间距A(间距L)的增加，最大漩涡直径也随之减小，相对淹没度B=1/2时，相对间距A=0，A=1/20，A=1/1及A=2/1最大漩涡直径分别为3.3，2.9，2.1，2.2 cm。

图5 各工况最大吸气漩涡直径变化

试验随机统计了各工况下产生漩涡后漩涡中心坐标，统计参数为20次，不同体型中漩涡中心坐标见图6。

图6 随机漩涡中心坐标Fig.6 Central coordinates of random vortices

进口前漩涡中心的位置并不固定，而是在一个范围内做随机运动，没有运动规律可言，但基本沿进水口中心线对称分布。随着淹没水深的增加，漩涡中心范围纵向拉伸，淹没水深5 cm时，各工况漩涡中心纵向坐标位于-10～0 cm之间，淹没水深增加至20 cm时，各工况漩涡中心纵坐标位于-35～-5 cm之间。漩涡形态的变化过程可以近似地用涡管理论来解释。如果将一个立轴漩涡近似看作一个涡管，那么漩涡的强度变化与涡管的形态变化及涡管的拉伸有密切联系：在涡管强度较低时，其强度的增大主要体现在切向流速的增大，同时涡管半径也逐渐增大，此时漩涡主要集中在水面附近，没有形成贯通性或间歇性吸气涡；随着强度继续增大，涡管纵向发展加剧，形成较为明显的涡管拉伸现象，此时拉伸的涡管导致漩涡强度充分集中，在进口附近形成贯通性或间歇性吸气涡，同时涡管的拉伸也导致了漩涡半径的减小。

3.2 流 速

图7为各工况紊动流速Vx最大偏差。从图7中看出，各工况下，紊动流速偏差最大值均出现在淹没水深5 cm工况，且随着淹没水深的增加，紊动流速Vx最大偏差逐渐降低。L=0，淹没水深5 cm时，2#测点最大流速为0.143 m/s、平均流速为0.088 m/s(见表3)，其紊动流速最大偏差达到62%，随着淹没水深的增加，其紊动流速偏差逐渐降低至50%。

图8为各体型紊动流速Vx最大偏差，从图8可知，相同淹没水深条件下，紊动流速偏差最大值均出现在L=0及L=5 mm体型，且随进水口间距L增加，紊动流速Vx最大偏差逐渐降低。淹没水深5 cm时，2#测点在L=0时紊动流速最大偏差达到62%，随进水口间距L增加，其紊动流速偏差逐渐降低至45%。

表分布

表分布

图7 各工况紊动流速Vx最大偏差Fig.7 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vx in each condition

图8 各体型紊动流速Vx最大偏差Fig.8 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vx of each pattern

从图9、表4中看出，各工况下，紊动流速偏差最大值均出现在淹没水深5 cm工况，且随着淹没水深的增加，紊动流速Vy最大偏差逐渐降低。L=0，淹没水深5 cm时，2#测点最大流速为-0.054 m/s、平均流速为-0.038m/s(见表4)，其紊动流速最大偏差达到43%，随着淹没水深的增加，其紊动流速偏差逐渐降低至34%。

图9 各工况紊动流速Vy最大偏差Fig.9 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vy in each condition

图10 各体型紊动流速Vy最大偏差Fig.10 Maximum deviations of turbulent flow velocity Vy of each pattern

图10为各体型紊动流速Vy最大偏差，由图10可知，相同淹没水深下，紊动流速偏差最大值均出现在L=0及L=5 mm体型，且随着进水口间距L的增加，紊动流速Vy最大偏差逐渐降低。淹没水深5 cm时，2#测点在L=0时紊动流速最大偏差达43%，随着进水口间距L增加，其紊动流速偏差逐渐降低至28%。

上述试验结果表明，进口流速分布有2个特点：

(1) 各工况条件下，进水口平均流速分布对称，水流平稳，不同水深测点流速分布基本一致。进水口体型一致条件下，测点平均流速随着淹没水深的增加略有降低；淹没水深相同，改变进水口相对间距A，其纵向流速Vx、横向流速Vy随着A的增加而分布均匀。

(2) 各工况下，水流纵向相对紊动强度较大，横向相对紊动强度略小。紊动流速偏差最大值均出现在相对淹没度B=1/4工况，且随着淹没水深的增加，紊动流速最大偏差逐渐降低。相同淹没度条件下，紊动流速偏差最大值均出现在A=0及A=1/20体型，且随着进水口相对间距的增加，紊动流速最大偏差逐渐降低。

4 结 论

本文通过物理模型对低水头矩形双进水口淹没流随机出现的漩涡进行研究，针对多种进水口型式及淹没水深，考虑来流边界的漩涡形态、分布规律，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，得到如下结论：

(1) 进水口附近随机出现的吸气漩涡在一个范围内做随机运动，没有运动规律可言，但基本沿进水口中心线对称分布。随着相对淹没水深的增加，吸气漩涡持续时间及其出现的频率随之降低，漩涡强度也随之减小。

(2) 不同淹没水深情况下，立轴漩涡的直径随着淹没水深的不断增加呈现先变大后减小的变化过程，最大漩涡直径均发生在相对淹没度B=1/2工况；相同淹没水深情况下，随着2个进水口之间相对间距的增加，漩涡总持续时间及频率减小，吸气漩涡强度也明显降低。

(3) 从流态及紊动流速分析可见，在泄流能力一致条件下，改变泄水建筑物有压进水口的布置型式，加大淹没深度或适当增加进水口间距以降低进水口前吸气漩涡强度是可行的。

[1] 邓淑媛．泄水建筑物进口水面漩涡的形成及其克服方法的探讨[J]．水利水运科学研究，1986，(4)：51-63．

[2] GORDON J L．Vortices at Intakes Structures [J]．Water Power，1970，(4)：137-138．

[3] DAGGETT L L，KEULEGAN G H．Similitude Condition in Free-surface Vortex Formations[J]．Journal of the Hydraulics Division，1974，100(11)：1565-1581．

[4] JAIN A K，GARDE R J，RANGA RAJU K G．Vortex Formation at Vertical Pipe Intakes[J]．Journal of the Hydraulics Division，1978，104(10)：1429-1445．

[5] ODGAARD A J．Free-surface Air Core Vortex[J]．Journal of Hydraulic Engineering，1986，112(7):610-620．

[6] 胡去劣．低水头进水口的布置及漩涡试验研究[R]．南京：南京水利科学研究院，1985．

[7] 段文刚，黄国兵，张 晖，等. 几种典型水工建筑物进水口消涡措施试验研究[J].长江科学院院报，2011，28(2): 21-27.

[8] 吴英卓，江耀祖，周 赤，等.船闸短廊道输水系统进口漩涡成因及消除措施研究[J].长江科学院院报，2011，28(11): 52-56.

(编辑：罗 娟)

Effect of Arrangement of Dual-pressure Inlet on Vortex Properties

LIU Dong1，WANG Ben2，HU Mei-cong1

(1.Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China; 2.Technology Information Center,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China)

The intake vortices of pressure inlets have destructive effect on hydraulic machinery and buildings. It is of practical significance to discuss the generation mechanism of vortex, especially of intake vortex, to reveal the law of movement, and to seek effective measures to control the damage of vortex. Studies on the inlet vortices properties and influencing factors mainly focused on single-channel and single inlet water rather than vortex properties of double inlets or multiple inlets. Submerged outflow of dual-pressure inlet is adopted to observe water flow field and vortex properties by changing the shape and arrangement of the inlet under different submergence depths. Results show that the duration time, frequency and intensity of intake vortex decrease with the increasing of relative submergence depth. In different submerged water depths, the diameter and intensity of vertical vortex show a process of increasing first and then decreasing as the submergence depth increases. Increasing the distance between the inlets appropriately could change the vortex type and reduce the duration and frequency of the intake vortex.

dual-pressure inlet; arrangement of inlet; intake vortex; flow pattern; flow velocity

2016-04-19；

2016-10-13

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2014048/SL，CKSF2016017/SL)

刘 东(1983-)，男，湖北宜都人，工程师，硕士，主要从事水力学及河流动力学方面的研究，(电话)027-82829903(电子信箱)18593440@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160367

2017,34(7):48-53

TV135

A

1001-5485(2017)07-0048-06