恒定有压扩散流局部非稳态流动研究

【摘要】： 扩散流是水工建筑物中常见的水流现象,如抽水蓄能电站上/下水库的进/出水口、有压泄水隧洞的出水口等的水流运动大多属此类流动。在一定边界和较大扩散角条件下,扩散流在边壁处将发生流动分离,一旦扩散水流与边界分离,近边界处将发生漩涡运动;扩散流的主流部分,在漩涡的不稳定位移或其它微小的扰动下,将形成不稳定的横向摆动运动。在恒定流条件下,扩散段内主流部分发生横向摆动运动的现象,我们称之为局部非稳态流动现象。由于局部非稳态流动发生的区域并不局限在边界附近,因此,对水工构造物可能产生的不利影响就较为突出。然而,相对其重要性而言,现今对局部非稳态流动现象的研究,却极为有限。 针对扩散段中存在的局部非稳态流动现象,本文通过模型试验、数值模拟以及理论分析,对其形成条件、产生机理、运动规律等问题进行了较为系统的研究。 (1)某抽水蓄能电站上水库进/出水口模型试验研究。结合某抽水蓄能电站上水库进/出水口物理模型试验,采用ADV三维流速仪,对抽水工况下进/出水口拦污栅处的流速进行测量,同时采用频谱分析,对数据资料进行分析,探讨各点流速的特征,揭示了该有压扩散流中存在局部非稳态流动现象。 (2)有压扩散段局部非稳态流动专门试验研究。对不同平面扩散角的有压扩散段进行试验,研究在一定边界条件下扩散段内产生局部非稳态流动现象的运动特征。应用壁面丝线流动显示技术,对其流动过程进行观测研究;应用ADV三维流速仪记录特征点的流速历时,对测点流速进行分析。探讨局部非稳态流动的运动规律、产生机理及形成条件。 (3)有压扩散段局部非稳态流动数值模拟研究。利用大涡模拟技术,系统研究了有压扩散段内整个流场的变化和发展情况,并结合谱分析方法对恒定有压扩散段中的水流流动特性进行分析,并与试验结果进行比较。 (4)有压扩散段局部非稳态流动理论分析。对试验结果和数值模拟结果进行理论分析,结果表明,一定边界条件下扩散流主流将与边壁分离,并在壁面附近形成不稳定的漩涡区。在这些不稳定漩涡的影响下,流体的主流部分将随着漩涡主体的不规则运动而发生摆动运动,即出现恒定流中的局部非稳态现象。也就是说在有压扩散流中,不仅存在随机的水流脉动,还存在由大涡运移引起的低频拟序的主流整体摆动运动,一般情况下,主流的摆动运动和水流的随机脉动相比具有较低的主频率和较大的摆动幅值,并遵循一定的规律性。