三维紊流模型模拟电站进水口流场研究

"电站进水口流场的数值模拟 - 陈云良，伍超，叶茂，李静 - 四川大学高速水力学国家重点实验室" 本文深入探讨了电站进水口流场的数值模拟技术，由陈云良、伍超、叶茂和李静四位学者在四川大学高速水力学国家重点实验室进行研究。他们采用三维ε-k紊流模型来模拟水电站进水口的水流动态，以理解并优化水电站进水口的设计，以期减少水头损失，提高发电效率。 研究内容主要包括对进水口前缘水面和水下的流态分析，以及喇叭形进口段的流场特性。通过原型比尺计算，研究人员对比了1:50比例模型试验的结果，发现进水口前缘的回流仅存在于水面，不会延伸至水下。此外，进口处的佛汝德数较小，这意味着水流的惯性相对较小，速度环量在回流区域从外向内迅速衰减，不利于形成立轴旋涡。对于喇叭形进口段，水流表现得较为顺畅，进水分布均匀，流态稳定。 立轴旋涡是水电站进水口常见且影响较大的水力现象，可能降低过流能力，减少发电量，甚至导致结构振动和空化破坏。尽管其机理复杂，受边界条件影响显著，但现有的理论研究进展有限。过去的研究主要依赖实验方法，但模型试验的边界条件模拟存在局限性，且立轴旋涡的相似律尚未达成共识。例如，虽然通常认为在雷诺数超过一定阈值后粘滞力可忽略，但实际案例表明，立轴旋涡可能与雷诺数有关。 数值计算提供了一种有效补充模型试验的方法，它可以克服比尺效应，快速调整方案，并获取更全面的信息。然而，模拟立轴旋涡的复杂运动、不确定的旋涡中心位置以及精细网格的需求对计算方法和计算机性能提出了高要求。例如，Lai使用刚盖法处理自由水面进行三维数值模拟，为水泵进水口的研究提供了参考。 在Wawushang水电站的研究中，模型试验与数值计算结合使用，进一步揭示了立轴旋涡的影响。通过这种综合研究方法，可以更准确地预测和控制水电站进水口的流场行为，从而优化设计，提高电站运行效率和安全性。 关键词：进水口，速度环量，立轴旋涡，三维ε-k紊流模型，模型试验，数值计算，自由水面模拟，佛汝德数，雷诺数，相似律，进流匀称，水头损失，水工建筑振动，空化破坏