漩渦是電站進水口前常見的流動現(xiàn)象,當進水口淹沒水深較小時容易形成吸氣漩渦,對水電站運行安全十分不利,是電站進水口設計和運行過程中重點關注的問題。疊梁門分層取水是一種出于對生態(tài)環(huán)境保護考慮,引取水庫表層高溫水體發(fā)電的新型電站進水口型式。疊梁門對進口漩渦的影響規(guī)律如何,避免產生吸氣漩渦的臨界淹沒水深如何界定,目前相關研究較少,是這種新型電站分層取水設施亟需重點解決的問題。本文以某水電站疊梁門分層取水進水口為工程背景,采用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結合的方法,對進水口的水力特性,特別是進口漩渦特性及臨界淹沒水深等方面進行了研究。1、建立疊梁門分層取水進水口三維數(shù)值模型并結合試驗驗證數(shù)值計算的可靠性。分析疊梁門分層取水進水口水流運動特點,數(shù)值模擬采用RNG K-ε模型及VOF兩相流模型求解進水口三維湍流問題。數(shù)值模擬的流速、壓強以及水頭損失系數(shù)與試驗觀測結果吻合良好,可用于對疊梁門進水口的水力特性開展研究。2、針對疊梁門后進水口表面出現(xiàn)的漩渦現(xiàn)象進行數(shù)值模擬計算。計算采用較高精度的網(wǎng)格以及VOF的幾何重構法模擬原型疊梁門分層取水進水口流場,并結合大比尺模型試驗漩渦觀測結果進行對比分析,對比結果表明二者吻合較好,采用的數(shù)學模型能較好地模擬疊梁門后進水口流態(tài)、漩渦直徑、漩渦類型等特性。3、揭示疊梁門門頂淹沒水深及流量與進水口漩渦產生和發(fā)展的規(guī)律。結合數(shù)值模擬及模型試驗結果,從疊梁門進水口漩渦類型、漩渦直徑、最大凹陷深度、多圈螺旋運動持續(xù)深度以及進水口水面Q'值分布等角度分析進水口漩渦特征,研究結果表明:隨著疊梁門門頂淹沒水深的減小或流量的增大,漩渦強度逐漸增強。4、以弗勞德數(shù)為控制參數(shù)圍繞疊梁門進水口臨界淹沒水深展開試驗觀測和數(shù)值計算。通過模型試驗獲得電站進水口0.2 SFr≤1.04范圍內的臨界淹沒水深,再通過數(shù)值模擬對更大及更小弗勞德數(shù)延伸工況進行漩渦計算分析,綜合得到0.1Fr1,27范圍內疊梁門的進水口臨界淹沒水深。5、提出適用于新型疊梁門式電站分層取水進口臨界淹沒水深的計算公式。在分析形成漩渦的影響因素的基礎上進行臨界淹沒水深的量綱分析,分析得到相對門頂臨界淹沒水深SID與弗勞德數(shù)Fr的關系,并綜合物理模型與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進行擬合,得到適用于新型疊梁門式電站進水口臨界淹沒水深公式。采用數(shù)值模擬、模型試驗相結合的方法揭示疊梁門式電站分層取水進水口漩渦產生和發(fā)展的規(guī)律,并提出適用于疊梁門分層取水進水口臨界淹沒水深的計算公式是本文兩大創(chuàng)新點。研究成果具有很強的科學意義和應用前景,可為類似電站進水口工程設計和安全運行提供科學參考依據(jù)。
【學位單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TV732.1
【部分圖文】：

我國 48 座水電站中，有 33 座占 69％的水電站進水口，前緣水域發(fā)生過漩渦問題際大壩會議曾將進水口漩渦問題作為一個水力學問題提出[10]，由此可見進水口漩渦的重要性。漩渦運動的機理及規(guī)律很復雜。實際工程中，誘導漩渦形成的原因主要有[11]：(的來流條件；(2)進水口型式；(3)重力及柯氏力等。庫區(qū)水流進水進水口中，流經攔，經疊梁門門頂進入豎向流道，最后進入喇叭進水口。整個流動過程中，進水口內設柱、墩、支撐梁等結構會對水流流場產生作用。模型試驗以及原型觀測資料表明在進水面都有可能產生持續(xù)產生或間歇出現(xiàn)的漩渦[12][13]。當進水口水流條件變化時，漩形態(tài)及其吸氣程度有所不同。從工程的角度出發(fā)，進水口形成的漩渦，一般分為表面漩渦、間歇吸氣漩渦、貫通式漩渦三種[14]。美國麻省 Worcester 綜合研究所 Alden 實究室將進水口表面產生的漩渦依據(jù)產生漩渦的強度由弱到強依次為六種類型：第一面渦紋和第二類表面凹陷渦為表面漩渦，漩渦強度較弱，在工程中允許存在；第三類核渦以及第四類攜物漩渦表面凹陷，漩渦強度較弱，其危害程度一般不嚴重，實際工應努力防止出現(xiàn)；第五類間歇吸氣渦表面凹陷較深，間歇攜氣進入進水口；第六類連氣渦屬于強吸氣漩渦，可能引起較嚴重的后果，工程中通常不允許出現(xiàn)[15]。

西安理工大學碩 學位論文 1' 'i ij i j ij i ju u pu u u gt x x x (2-7)式中，' 'i j u u為紊動應力項。以上方程中，未知量有 10 個，已知方程只有 4 個，因此需要引入湍流方程使方程組封閉才可求解。紊流數(shù)值模擬方法主要可以分為直接數(shù)值模擬及非直接數(shù)值模擬。在 FLUENT 中簡介數(shù)值模擬方法大值可分為以下三類，如圖 2-1。第一類是湍流運輸系數(shù)模型，依據(jù)建立模型所需要的微分方程數(shù)量，可以分為零方程模型，單方程模型以及雙方程模型。第二類是直接建立湍流應力和其他二階關聯(lián)的輸運方程。第三類是大渦模擬。

2 電站分 取水進水口三維 流數(shù)學模型難度。對水氣兩相界面附近的差值，F(xiàn)luent 中 VOF 模型中有四種方案計算面的通量分別是幾何重建（geometric reconstruction），物質接受（donor-accept）以及歐拉顯式和隱式。歐拉顯式和歐拉隱式采用標準有限差分法，在兩相流模擬中應用較少，幾何重建及物質接受方案則采用特殊插值方法處理界面單元體。從圖 2-2 中可以看出，幾何重建方法對兩相流界面相比于物質接受法更接近真實界面情況。在 FLUENT 中，幾何重構方案使用標準差值法獲得界面的通量，當單元靠近兩相之間的界面時，使用幾何重構方案。在描繪兩流體直接的界面方面，幾何重建方案使用分段線性方法最為精確，并合適通用的非結構化網(wǎng)格的計算。因此本文采用幾何重構方法對進水口漩渦液面進行追蹤。
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