《閘門局部開啟的閘前吸氣漩渦形成機理研究》是依託大連理工大學,由劉亞坤擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：閘門局部開啟的閘前吸氣漩渦形成機理研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉亞坤
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水利樞紐工程的溢流壩或溢洪道大多數由水工閘門控制，當閘門局部開啟運行時，在一定的臨界淹沒水深作用下，閘門前很容易形成漩渦，當產生吸氣漩渦時，會造成惡化水流流態、引起過閘水流振盪、降低泄流能力、誘發閘門振動及造成空化空蝕等危害。準確地確定其臨界淹沒水深和有效消除吸氣漩渦一直是工程流體力學的難點之一。本申請項目以水利樞紐工程泄洪表孔為研究對象，採用理論分析、模型試驗和數值模擬相結合的方法進行研究，套用三維粒子成像測速儀(PIV)獲得精準的閘前漩渦三維流場特性數據，通過理論分析和數值模擬揭示漩渦的相關水力參數和幾何參數的關係，研究吸氣漩渦的形成機理，確定淹沒水深的影響因素，提出減弱或消除閘前吸氣漩渦的方向和工程措施，進一步完善漩渦理論。該研究具有重要的理論意義和實踐套用價值。
結題摘要
當水工閘門局部開啟運行時，閘門前容易產生漩渦，為了避免閘前漩渦對閘門造成危害，本項目對閘前漩渦進行了系統地研究。主要研究內容和成果包括：（1）通過開展圓桶試驗研究了立軸漩渦的水力特性，得到了漩渦切向/徑向流速、渦核半徑、環量、水面線等數據，揭示了漩渦流場各水力參數的變化規律。建立了描述漩渦流場的數學模型，包括切向/徑向/軸向流速、水面線以及渦核半徑的計算公式。通過與前人建立的模型或試驗數據對比後發現，新建立的數學模型精度更高，且形式簡單易於套用。（2）通過模型試驗研究了閘門局部開啟時閘前漩渦的水力特性。試驗表明閘前漩渦總是成對出現的，其影響因素包括閘前水深、閘門開度、進水口弗勞德數和來流環量等。閘前漩渦存在上下兩個臨界淹沒水深，當閘前水深在這兩個臨界淹沒水深之間時，將有吸氣漩渦產生，且此時閘門開度或弗勞德數越大，漩渦越強。在臨界淹沒水深下限附近，來流環量作用較弱，但在其上限附近，來流環量作用明顯。（3）本項目研究了當水流的粘性力和表面張力對閘前漩渦水力特性的影響可忽略時的臨界雷諾數和臨界韋伯數，揭示了粘性力和表面張力的作用機理。試驗表明，按照重力相似準則設計模型時，當行進水流的雷諾數Re≧51000，韋伯數We≧142時，可以忽略粘滯力和表面張力對閘前漩渦的影響。（4）在考慮進水口寬高比、弗勞德數和行進水流環量三個影響因素的基礎上，建立了閘前吸氣漩渦的上、下限臨界淹沒水深公式。通過與前人所得到的試驗數據進行比較，證明了新建立理論公式的合理性，且適用範圍較廣，不僅適用於計算閘門前吸氣漩渦的臨界淹沒水深，還適用於結構不變的側部進水口和立軸進水口等情形。（5）本項目提出了豎向消渦隔柵法的消渦措施，並進一步研究了閘門開度、門前淹沒水深、隔柵位置、隔柵寬度等因素對消渦效果的影響，分析了消渦隔柵的消渦原理。模型試驗和數值模擬均表明，通過在閘門前布置兩對豎向的消渦隔柵能夠取得良好的消渦效果。
