進(jìn)水口前漩渦研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

田 甜， 郭 悅， 徐國賓

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津300072； 2.水利部發(fā)展研究中心， 北京100038)

1 研究背景

漩渦是一種常見的水力現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)在水利工程中的電站引水口、泄洪洞、泄洪閘門等引水、泄水建筑物前，對水利工程的正常運(yùn)行造成不利影響。以漩渦的形態(tài)和強(qiáng)度為依據(jù)，一般可定性地將漩渦分為3類：不吸氣漩渦，間歇性吸氣漩渦以及貫通式漩渦[1-2]。從工程角度出發(fā)，可將漩渦分為自由表面漩渦、流體內(nèi)部漩渦、管道螺旋流[3]。美國Alden實(shí)驗(yàn)室依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，將漩渦分為6種類型：1和2類型近于無漩渦，自由水面無凹陷，沒有或僅有少量環(huán)流；3和4類型為弱漩渦，自由水面出現(xiàn)輕微凹陷，表層形成環(huán)流，初步形成氣核；5和6類型屬于強(qiáng)漩渦，自由水面下陷明顯并形成或趨于形成穩(wěn)定氣核，裹挾空氣進(jìn)入進(jìn)水口[4]。

隨著水電能源的開發(fā)，水工建筑物進(jìn)水口前的漩渦問題逐步引起關(guān)注和重視。我國的溪洛渡、漫灣、龍羊峽、寶珠寺、紫坪鋪等水利工程均出現(xiàn)過不同程度的漩渦問題，在國外眾多國家也有類似的工程問題發(fā)生。不同類型的漩渦對工程的影響程度是不同的，當(dāng)進(jìn)水口前出現(xiàn)危害較大的吸氣漩渦時，將導(dǎo)致引水、泄水建筑物流態(tài)惡化、過流能力降低、水流脈動加劇、卷吸漂浮物等問題，對工程安全造成威脅。因此對于進(jìn)水口前漩渦的研究主要集中于危害較大的吸氣漩渦，包括間歇性吸氣漩渦和貫通式漩渦，即Alden實(shí)驗(yàn)室分類中的強(qiáng)漩渦?；诠こ绦枰F(xiàn)有關(guān)于進(jìn)水口前漩渦問題的研究大多依托具體工程，以解決實(shí)際問題為主要目的。許多研究者通過理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對漩渦的流動機(jī)制進(jìn)行了研究，但由于漩渦屬于強(qiáng)紊流現(xiàn)象，具有瞬態(tài)演變、不易觀測等特點(diǎn)，因而至今尚未徹底闡明漩渦流動問題，只能通過半經(jīng)驗(yàn)化的理論標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)工程實(shí)踐。與此同時，建設(shè)單位需要投入大量人力物力對進(jìn)水口體型進(jìn)行優(yōu)化或增設(shè)消渦措施以消除漩渦帶來的不利影響，但由于漩渦流動機(jī)理尚不明確，漩渦的流動機(jī)制又直接影響進(jìn)水口體型選擇和消渦措施的設(shè)計(jì)，所以消渦措施往往收效甚微[5-6]。進(jìn)水口漩渦問題關(guān)乎水利工程的運(yùn)行安全和生產(chǎn)效益，因此，開展漩渦的深入研究具有重要的工程意義。

2 漩渦的形成機(jī)理

對于漩渦的形成過程，一般可根據(jù)孔口位置的不同，分別就底部孔口與側(cè)部孔口兩種出流情況對漩渦的形成過程進(jìn)行觀測和研究，其中側(cè)部孔口還可細(xì)分為有壓底孔和無壓表孔兩種。對于一般側(cè)部孔口，受進(jìn)水口邊界條件約束，來流會發(fā)生縱向或橫向收縮，導(dǎo)致其流向和流速發(fā)生劇烈變化，表面水流受胸墻阻滯在進(jìn)水口上方形成滯流區(qū)，滯流區(qū)水體在邊界和水流的共同影響下，形成一定的初始環(huán)量。同時，滯流區(qū)水體受到進(jìn)水口主流的拖曳作用(下曳力)進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，最終在初始環(huán)量和下曳力的共同作用下誘發(fā)漩渦。

與一般側(cè)部進(jìn)水口不同，溢流壩閘孔前水力條件更為復(fù)雜。在啟門過程中，隨著閘門開度的變化，閘室中水位、流量等水力條件隨之產(chǎn)生變化，使漩渦處于瞬態(tài)發(fā)展的過程。同時，由于閘室范圍的限制，閘前漩渦一般在靠近檢修閘門槽處成對形成，多股水流互相影響，閘室內(nèi)流態(tài)復(fù)雜，給閘前漩渦形成的觀測和研究帶來了困難。孫洪亮等[7]針對泄洪閘弧形閘門前的漩渦進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，閘門局部開啟時，行進(jìn)水流在邊界條件影響下發(fā)生橫向和縱向的收縮，形成一定的來流環(huán)量，而來流環(huán)量與水流軸向流速則是漩渦形成的主要因素。陸遙[8]運(yùn)用動網(wǎng)格技術(shù)模擬了閘門邊界的開啟過程，認(rèn)為在啟門泄流的早期階段，閘室內(nèi)墩頭渦與逆壓梯度共同作用下的流動分離是形成漩渦的主要原因。隨著閘門開度的增大，由下泄主流勢能和壓能轉(zhuǎn)化而來的動能逐漸無法克服其黏性損耗，漩渦逐漸消失。

相比之下，底部孔口進(jìn)水邊界條件和水力條件相對簡單。吸氣漩渦的發(fā)展過程大致可分為表面漩渦、表面凹陷渦、染料核漩渦、挾物漩渦、間歇吸氣漩渦和貫通吸氣漩渦6個階段。底部孔口來流基本呈徑向流態(tài)，沿進(jìn)口切向水流流速發(fā)生劇烈變化，不同方向水流互相沖撞，水位壅高，阻礙下泄水流，構(gòu)成力偶進(jìn)而形成漩渦[9]。與前人研究結(jié)果不同，Zi等[10]采用數(shù)值模擬方法模擬了吸氣漩渦形成過程中的流速演變，并將漩渦形成過程劃分為4個階段：初生階段、V型發(fā)展階段、渦管延伸階段和貫通吸氣階段，通過分析漩渦流速演變過程發(fā)現(xiàn)，在吸氣漩渦的形成過程中，渦管變形對漩渦強(qiáng)度的增大起主導(dǎo)作用。

通過對漩渦形成過程的觀測，許多研究者從不同方向?qū)︿鰷u的生成機(jī)理進(jìn)行了探討和研究。一個漩渦可以看作是渦量的局部集中，數(shù)學(xué)上將渦量定義為速度場旋度的矢量[11]。渦量場是一種分布渦，而漩渦則是集中渦，分析渦運(yùn)動原理應(yīng)從渦量場入手，進(jìn)而分析從渦量產(chǎn)生到漩渦形成這一過程中的渦量輸運(yùn)過程[12]。在黏性流體中，集中在渦核的渦量受外界作用向外擴(kuò)散，產(chǎn)生漏斗形徑向剖面，同時由于進(jìn)水口主流的拖曳作用，渦核產(chǎn)生軸向拉伸，最終在渦量擴(kuò)散和渦軸拉伸的共同作用下產(chǎn)生吸氣漩渦[13]。陸遙[8]從渦量輸運(yùn)方程出發(fā)，通過分析脹縮量、剪切量和渦量的變化，對漩渦的發(fā)展機(jī)制進(jìn)行了研究，其中脹縮量和剪切量分別與渦管及渦核在三維空間中的體積膨脹與彎曲方向有關(guān)，兩者的分布總體上從自由水面到閘門底緣呈遞增趨勢，并伴有偶發(fā)性極大值，這種分布規(guī)律使吸氣漩渦渦核表現(xiàn)為非對稱的空間曲線；渦量與漩渦強(qiáng)度的大小相關(guān)，維持著漩渦的高速旋轉(zhuǎn)，并隨著漩渦發(fā)展向外部環(huán)流處蔓延。從物理角度分析，Kocabas等[14]引入了球面流面(stream surface of a sphere, SSS)概念，當(dāng)進(jìn)水口具有點(diǎn)沉特性時，將流場中產(chǎn)生的以球形流面為邊界的球形流體定義為SSS，稱球形流體即將坍塌時的狀態(tài)為臨界球形流面(critical spherical sink surface, CSSS)，當(dāng)SSS坍塌時就會產(chǎn)生吸氣漩渦。通過分析漩渦形成過程中自由水面的變化和漩渦結(jié)構(gòu)的形態(tài)，可將吸氣漩渦的形成過程劃分為表面漩渦、表面凹陷和完全發(fā)展的吸氣渦3個階段，表面漩渦的聚集和進(jìn)水口對上方水流的牽引力是吸氣漩渦形成的主要原因[15]。

綜上所述，研究漩渦的流動機(jī)制，主要從漩渦發(fā)展過程中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及外部流場變化展開。通過分析可以得出，初始環(huán)量的聚集和進(jìn)水口主流的拖曳作用是吸氣漩渦形成的主要原因，但如何定量描述出兩者在漩渦形成過程中的作用仍處于研究階段。漩渦形成機(jī)制的研究對于后續(xù)消渦措施的設(shè)置具有指導(dǎo)性作用，但漩渦影響因素的量化仍是目前研究中的最大障礙，如何準(zhǔn)確測量水流環(huán)量、下曳力等水力參數(shù)，將邊界條件等影響因素轉(zhuǎn)化為物理量具體分析，將是現(xiàn)階段研究的主要任務(wù)。

3 漩渦的水力特性和影響因素

自20世紀(jì)30年代起，為了解決進(jìn)水口漩渦問題，國內(nèi)外研究者通過漩渦模型簡化、流場數(shù)據(jù)測量、湍流數(shù)值仿真等技術(shù)手段和方法對漩渦的水力特性及影響因素進(jìn)行了分析，并取得了一定成果。漩渦的研究方法可分為理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬3類，其中理論分析主要以流體N-S方程(Navier-Stokes equations)為基礎(chǔ)，反映漩渦的運(yùn)動特性；模型試驗(yàn)作為主要的研究方法，可通過測量漩渦及流場特性反映漩渦運(yùn)動的基本規(guī)律，并借助試驗(yàn)總結(jié)消渦措施；數(shù)值模擬是求解流體N-S方程的有效手段，同時得益于紊流模型的發(fā)展，可通過計(jì)算機(jī)模擬漩渦形成的物理過程，為進(jìn)一步研究漩渦流動問題提供了新方法。通過理論分析和試驗(yàn)，研究者對漩渦的水力特性及影響因素進(jìn)行了大量研究，研究成果對后續(xù)消渦措施的設(shè)置起到了一定的指導(dǎo)作用。

3.1 漩渦的水力特性研究

關(guān)于漩渦水力特性的研究，早期主要圍繞漩渦的流體力學(xué)控制方程展開，但由于漩渦的控制方程中含有二階非線性項(xiàng)，對漩渦問題尚不能得出解析解。許多研究者根據(jù)相關(guān)假設(shè)簡化漩渦模型后，可得出特定條件下的近似解。

總結(jié)前人研究結(jié)果，漩渦模型一般采取兩個基本假設(shè)：

(1)假設(shè)漩渦處于穩(wěn)態(tài)。

(1)

(2)柱坐標(biāo)系下漩渦關(guān)于z軸對稱。

(2)

式中：Vr、Vθ、Vz分別為漩渦的徑向、切向、軸向速度，m/s；t、θ分別為時間分量和切向分量。

基于上述兩個基本假設(shè)，Rankine[16]假定?/?z=0，在不考慮水流黏性條件下提出二維無黏性組合渦模型，定義平面內(nèi)渦核半徑為rm，r為柱坐標(biāo)系下的徑向分量，以運(yùn)動時角速度矢量是否為零為評判依據(jù)，稱0≤rrm時則為自由渦，當(dāng)r=rm時渦核內(nèi)外切向速度相等并達(dá)到最大值，此時切向速度分布連續(xù)但不可導(dǎo)。孫洪亮等[17]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對Rankine渦模型進(jìn)行了改進(jìn)，解決了切向流速在渦核半徑處不光滑過渡的問題。

Rankine渦是一種理想渦，不需要外界能量補(bǔ)充也沒有能量損耗，但在現(xiàn)實(shí)中由于水流黏性的存在，漩渦在運(yùn)動過程中將發(fā)生渦量擴(kuò)散現(xiàn)象，并產(chǎn)生能量損耗，必須從外部環(huán)流中吸收能量以抵抗能量損耗。由此，Oseen[18]從漩渦渦量入手，首次考慮漩渦瞬態(tài)運(yùn)動狀態(tài)，提出了非定常軸對稱渦模型，利用渦量方程引入環(huán)量Γ，由此得到了任意時刻切向速度Vθ和渦核半徑rm的解析解，其中Vθ的表達(dá)式為：

(3)

式中：Γ為水流環(huán)量，m2/s；rm為渦核半徑，m；r為柱坐標(biāo)系下的徑向分量，m。

在此基礎(chǔ)上，Odgaard[19]進(jìn)一步發(fā)展了Oseen渦模型，假設(shè)徑向速度Vr、軸向速度Vz分別與徑向分量r、軸向分量z呈線性關(guān)系，通過求解N-S方程得出切向速度的表達(dá)式為：

(4)

式中：ν為水流運(yùn)動黏滯系數(shù)，m2/s；a為速度梯度，m/s2。

可以看出，Oseen與Odgaard得出的公式類似，切向速度均隨徑向先增大后減小。但實(shí)際徑向流速在漩渦中心區(qū)較大，并沿徑向迅速減小[20]。Einstein[21]對理想流體和黏性流體分別進(jìn)行推導(dǎo)，假設(shè)徑向流速在渦核半徑內(nèi)沿徑向呈線性分布，在外部沿徑向成反比例分布，得出了徑向流速沿徑向先增大后減小的分布規(guī)律。Odgaard對于徑向速度、軸向速度的假設(shè)存在一定局限性，不能完全反映漩渦的真實(shí)水力特性。公式(3)和(4)雖然對解釋漩渦流動中的能量轉(zhuǎn)換過程做出了有效嘗試，但假設(shè)條件與實(shí)際存在較大出入，不利于后續(xù)研究的進(jìn)行。

隨著高新測量技術(shù)的發(fā)展，研究者可通過接觸式或非接觸式測量儀器對漩渦流場水力特性直接進(jìn)行測量，研究重點(diǎn)也逐漸從理論研究轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚摻Y(jié)合數(shù)據(jù)、建立擬合公式的模式。Rosenhead[22]結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)與理論分析，通過數(shù)據(jù)擬合建立了切向速度的經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，具有較好的實(shí)用性，為后續(xù)研究提供了新思路。Hite等[23]又對經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正，并以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出徑向速度和軸向速度的表達(dá)式。Wang等[24]對Odgaard和Hite公式進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的速度公式和漩渦水面線與測量數(shù)據(jù)吻合良好。

漩渦結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，通過觀測發(fā)現(xiàn)，受水流作用影響，其渦核一般呈現(xiàn)為非對稱的空間曲線[25-26]。陳云良等[27-29]觀察到漩渦具有多圈螺旋流運(yùn)動特性，在漩渦運(yùn)動過程中渦核下部向進(jìn)水口方向扭轉(zhuǎn)，漩渦的切向速度、軸向速度和徑向速度不僅與徑向分量r相關(guān)，也與軸向分量z呈相關(guān)關(guān)系，此外，還通過分離變量法確定了能夠反映軸向變化的經(jīng)驗(yàn)公式。

基于漩渦流體力學(xué)控制方程開展的理論研究依據(jù)基本假設(shè)簡化模型，從二維無黏性渦出發(fā)，發(fā)展到三維黏性渦，并在一定條件下求出了漩渦切向速度的解，同時結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果得到了漩渦軸向速度和徑向速度的經(jīng)驗(yàn)公式，所得公式能反映出漩渦速度分量在軸向和徑向上的不同變化。然而，由于數(shù)學(xué)求解上的困難，關(guān)于漩渦水力特性的理論分析仍受限于穩(wěn)態(tài)、軸對稱假設(shè)，對于漩渦瞬態(tài)水力特性的分析尚處于探索階段。借助高精度測量技術(shù)及數(shù)值模擬手段雖然能對漩渦流場進(jìn)行分析，但由于缺乏理論基礎(chǔ)且進(jìn)水口類型差異較大，只能借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合經(jīng)驗(yàn)公式，但所得結(jié)論均受到一定條件的限制，無法擴(kuò)大其適用范圍。

3.2 漩渦的影響因素研究

根據(jù)已有研究，可將漩渦的影響因素分為邊界條件與水流條件兩類，包括進(jìn)水口淹沒水深h，進(jìn)水口直徑D，進(jìn)水口前行進(jìn)寬度b，流體密度ρ，運(yùn)動黏滯系數(shù)ν，表面張力系數(shù)σ，重力加速度g等。對上述基本物理量進(jìn)行量綱分析，可以得到無量綱數(shù)相對淹沒水深S/D、弗勞德數(shù)Fr、雷諾數(shù)Re、韋伯?dāng)?shù)We以及環(huán)量數(shù)NГ。當(dāng)雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)超過臨界值時，水流黏性和表面張力對漩渦的影響較小，可忽略不計(jì)，因此影響漩渦的主要因素是邊界條件、相對淹沒水深、弗勞德數(shù)和環(huán)量數(shù)。

邊界條件和水流環(huán)量是進(jìn)水口前漩渦的主要影響因素。鄧淑媛[9]結(jié)合多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析總結(jié)了漩渦形成的邊界條件，認(rèn)為在大型孔口、胸墻后傾、流向與孔口夾角過大、橫向收縮、存在相鄰邊界水流等條件下更容易形成漩渦。孫洪亮等[17]通過模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，閘前水位較高時，來流環(huán)量對閘前漩渦起主要作用。在漩渦的形成過程中，環(huán)量隨時間遞增，當(dāng)漩渦處于穩(wěn)態(tài)時，環(huán)量也趨于定值[30]。

對實(shí)際工程而言，邊界條件的影響一般保持不變，而水流環(huán)量難以準(zhǔn)確測量，因此對漩渦影響因素的分析大多借助于臨界淹沒水深展開。建立臨界淹沒水深公式并分析其影響因素，為后續(xù)合理設(shè)計(jì)進(jìn)水口體型提供一定依據(jù)，也成為了漩渦研究的主要方向。

Gordon[31]總結(jié)了29個水電站的實(shí)測資料，提出了進(jìn)水口前漩渦臨界淹沒水深的經(jīng)驗(yàn)公式：

Sc=cVD0.5

(5)

式中：c為系數(shù)，正向引水時取0.55，側(cè)向引水時取0.73；V為進(jìn)水口前流速，m/s；D為進(jìn)水口直徑，m。

對公式(5)進(jìn)行無量綱化后可得：

(6)

Gordon公式形式簡單但考慮的因素較為全面，對于大多數(shù)中小型工程具有很好的適用性，也是我國《水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5398—2007)中采用的公式。馬吉明等[32-33]將試驗(yàn)成果與現(xiàn)有公式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Gordon公式在有攔污柵、流速較高的條件下不適用，并針對高流速、大流量進(jìn)水口，給出了有無攔污柵兩種情況下的臨界淹沒水深公式。在此基礎(chǔ)上，通過三峽工程進(jìn)水口大比尺模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為大型工程在引用Gordon公式時應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大系數(shù)，得到了適用于有攔污柵的大流量雙孔進(jìn)水口的臨界淹沒水深經(jīng)驗(yàn)公式。

除弗勞德數(shù)Fr外，許多研究者將雷諾數(shù)Re、韋伯?dāng)?shù)We、環(huán)量數(shù)NГ以及邊界條件影響等因素也考慮其中，通過不同研究方法得出了各種形式的經(jīng)驗(yàn)公式，并對臨界淹沒水深的影響因素進(jìn)行了進(jìn)一步分析。Gogus等[34]在排除進(jìn)水口前水流環(huán)量影響的條件下，通過試驗(yàn)分析了Fr、Re、We等參數(shù)對進(jìn)水口前漩渦形成的影響，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了臨界淹沒水深公式，在固定邊界條件下，S與Fr、Re、We幾乎呈線性正相關(guān)。Khansrmuei等[35]針對于雙層引水口展開研究，認(rèn)為來流方向與進(jìn)水口間夾角是漩渦形成的重要因素，給出了不同來流夾角條件下環(huán)量與弗勞德數(shù)Fr之間的經(jīng)驗(yàn)公式，并在此基礎(chǔ)上得出了單、雙層進(jìn)水口臨界淹沒水深公式。Tatan[36-37]研究了比尺效應(yīng)和流動邊界對管道式進(jìn)水口臨界淹沒水深的影響，提出了一個考慮邊界層摩擦影響的修正因數(shù)，并基于勢流假設(shè)和臨界球形流面(CSSS)理論提出了臨界淹沒水深的計(jì)算方法。

Yang等[38]設(shè)置了多種不同邊界的進(jìn)水口進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明進(jìn)水口剖面對于臨界淹沒水深大小具有重要影響。Tatan等[39]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水口剖面主要影響水流速度分布以及渦量大小，對于不同的流動條件及幾何邊界，環(huán)量的大小、漩渦的形態(tài)以及淹沒水深值都是不同的。Hashid等[40]對水平側(cè)向圓形進(jìn)水口在明渠流中有無喇叭口兩種邊界條件下進(jìn)行分析和試驗(yàn)，結(jié)合勢流理論利用蘭金臨界球面(Rankine’s critical spherical surface, RCSS)理論分析漩渦，并結(jié)合Ahmad等[41]提出的含參數(shù)公式建立了有、無喇叭口兩種條件下的臨界淹沒水深公式，經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)，設(shè)置喇叭口過渡段可有效提高進(jìn)水效率、減小臨界淹沒水深。對于泄洪閘門，孫洪亮等[42-43]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了固定開度下弧形閘門前臨界淹沒水深的經(jīng)驗(yàn)公式。表1中列出了上述相關(guān)文獻(xiàn)中提出的淹沒水深計(jì)算公式并對其在適用性方面的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡述。

表1 本文引用的相關(guān)文獻(xiàn)中提出的淹沒水深計(jì)算公式及其優(yōu)缺點(diǎn)

由表1可以看出，以不同進(jìn)水口類型為研究背景所得出的臨界淹沒水深公式形式差異很大，適用范圍也有所不同。在實(shí)際工程中，只能以公式計(jì)算結(jié)果當(dāng)作初步參考，還應(yīng)進(jìn)一步采取模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬方法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

借助模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究者給出了反映漩渦形成過程中各因素對進(jìn)水口漩渦影響的臨界淹沒水深公式，針對漩渦特性的研究也從二維無黏性渦逐漸擴(kuò)展至三維黏性渦流，對于漩渦的形成過程與流動特性有了更準(zhǔn)確的認(rèn)識，理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬三者也形成了相互驗(yàn)證的完整分析體系，但該3種研究手段仍有繼續(xù)發(fā)展的空間。由于比尺效應(yīng)的影響，模型試驗(yàn)不能同時滿足重力、表面張力及黏性力的相似條件，遵從重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)只能從其他方面弱化表面張力及黏性力對試驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響。同時由于進(jìn)水口邊界條件的差異化，針對某類型進(jìn)水口展開的研究可能具有一定的適用范圍，所得結(jié)論也容易受試驗(yàn)環(huán)境影響。因此，確定合適的模型比尺、明確試驗(yàn)條件是至關(guān)重要的。數(shù)值模擬方法雖然在計(jì)算能力及等比例建模等方面彌補(bǔ)了理論解精度不高、模型試驗(yàn)存在比尺效應(yīng)的不足，但在模擬漩渦這一強(qiáng)紊流現(xiàn)象時，對網(wǎng)格與邊界層精度要求較高，需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源，同時紊流模型、多相流模型的發(fā)展也制約著數(shù)值模擬的進(jìn)一步發(fā)展。在后續(xù)研究中，確定最優(yōu)網(wǎng)格劃分方案、選定與漩渦流動最適配的計(jì)算模型，是提高數(shù)值模擬計(jì)算精度的關(guān)鍵。

4 漩渦的危害及消渦措施

根據(jù)Alden提出的漩渦分類，對進(jìn)水口前危害性較大的為5、6類型強(qiáng)漩渦，即吸氣漩渦，也是通常所說的有害渦。進(jìn)水口前出現(xiàn)吸氣漩渦后，水流紊動加強(qiáng)，水頭損失增大，進(jìn)水流量減少，對閘門泄洪能力、機(jī)組運(yùn)行效率均產(chǎn)生負(fù)面影響，不利于水利工程的正常運(yùn)行[46]。Posey等[47]指出，吸氣漩渦存在時，進(jìn)水口的過流能力將大幅降至無漩時的20%；若漩渦進(jìn)一步發(fā)展形成貫通性漩渦，還會挾帶空氣進(jìn)入水流，惡化流態(tài)，嚴(yán)重時甚至?xí)鸾ㄖ锏恼駝雍涂栈?。?yán)根華等[48]通過溢流壩弧形閘門的原型觀測研究發(fā)現(xiàn)，在閘門開啟過程中，由于閘前漩渦對閘門面板的動力作用，誘發(fā)閘門振動，將對閘門安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。為了應(yīng)對漩渦引發(fā)的工程問題，合理的消渦控渦措施成為研究人員重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

從漩渦的生成機(jī)制和影響因素等方面進(jìn)行分析，現(xiàn)有的消渦措施主要從抑制水流初始環(huán)量、破壞漩渦結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)漩渦能量損耗入手，將其歸納如下：

(1)抑制水流初始環(huán)量。來流初始環(huán)量是誘發(fā)漩渦的主要因素，通過改變邊界條件和水力條件平順?biāo)鳎种骗h(huán)量的產(chǎn)生，可以達(dá)到阻止漩渦發(fā)生的目的[49]。采取優(yōu)化進(jìn)水口體型、增大淹沒水深或減小進(jìn)口流速、合理控制運(yùn)行工況等措施可有效減小水流初始環(huán)量；在進(jìn)水口平面布置上，應(yīng)盡量使來流平順，減小進(jìn)水角，若條件允許可加長引水渠長度，使行進(jìn)水流恢復(fù)平穩(wěn)，以降低進(jìn)水口附近的水流初始環(huán)量。

(2)破壞漩渦結(jié)構(gòu)。漩渦通常發(fā)生在進(jìn)水口上方30°范圍內(nèi)，因此可通過設(shè)置消渦梁、消渦墩等專門的消渦措施破壞漩渦結(jié)構(gòu)，切斷其切向及徑向流動路徑，使其無法維持穩(wěn)定形態(tài)。葉茂等[30]通過數(shù)值模擬對進(jìn)水口有、無防渦墩兩種情況進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果顯示設(shè)置防渦墩能阻礙水流旋轉(zhuǎn)，減小環(huán)量，從而破壞漩渦穩(wěn)定性，達(dá)到消渦目的。嚴(yán)根華等[50]研究了消渦隔柵結(jié)構(gòu)對漩渦形成的影響，并利用模型試驗(yàn)對消渦效果進(jìn)行了驗(yàn)證。Kabiri-Samani等[51]在不同水流條件下對不同形狀消渦板的消渦效果進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)置消渦板能有效增大進(jìn)水口流量，為了反映消渦板提高進(jìn)水口進(jìn)水效率的效果，引入了新變量“空氣指數(shù)”，并根據(jù)分析結(jié)果為進(jìn)水口前消渦板的設(shè)計(jì)提出了建議。

(3)增強(qiáng)漩渦能量損耗。從發(fā)展機(jī)制來看，在漩渦的發(fā)展過程中將發(fā)生渦量擴(kuò)散和能量損耗現(xiàn)象，通過破壞漩渦能量輸運(yùn)途徑、增強(qiáng)黏性損耗，可以增加漩渦的能量損耗，加速漩渦消散，達(dá)到消除漩渦的目的。劉潔潔等[52]經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在弧形閘門上設(shè)置消渦格柵可以縮小漩渦發(fā)展范圍、破壞漩渦結(jié)構(gòu)，起到切斷漩渦回轉(zhuǎn)路線、破壞漩渦能量輸運(yùn)的作用，消渦效果明顯。

段文剛等[1]通過對消渦措施的系統(tǒng)研究，總結(jié)了合理設(shè)計(jì)進(jìn)水口、安裝專門的結(jié)構(gòu)物、調(diào)整運(yùn)行方式等幾種典型的消渦措施，在實(shí)際工程應(yīng)用中也達(dá)到了一定的消渦效果。由于閘門啟門泄流過程中出現(xiàn)的漩渦流動復(fù)雜，且閘室內(nèi)空間狹窄、水流湍急，消渦排、防渦梁等傳統(tǒng)的消渦措施不能很好地適應(yīng)泄流閘門的需要，甚至可能造成消渦結(jié)構(gòu)自身損壞，影響閘門正常運(yùn)行，因此閘前的消渦措施尚處于試驗(yàn)階段，在實(shí)際工程應(yīng)用中的成功案例較少。

現(xiàn)有的消渦措施大多是通過模型試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來，對消渦措施工作機(jī)理的理論研究較少。通過模型試驗(yàn)總結(jié)出的消渦措施雖然對于實(shí)際工程中的漩渦防控具有重要的參考意義，但由于漩渦的流動機(jī)制和消渦措施的工作機(jī)理尚未徹底闡明，致使消渦措施在實(shí)際工程的應(yīng)用中極易受到外部條件的影響和制約，如何有效地防渦控渦仍是未來研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論與展望

關(guān)于漩渦流動問題及消渦措施的研究已經(jīng)取得了一些成果，但進(jìn)水口前漩渦問題還未完全解決，對于現(xiàn)有研究中存在的不足和未來的研究方向，可以參考以下幾個方面：

(1)對于漩渦形成機(jī)制的研究著重于理論分析，尚未闡明環(huán)量及渦量的生成及輸運(yùn)過程，特別是邊界條件、Fr、Re等因素如何影響漩渦的能量輸運(yùn)從而影響其生成和發(fā)展。

(2)針對漩渦的研究多集中于危害較大的穩(wěn)定吸氣漩渦，忽視了對漩渦早期發(fā)展和后期耗散過程的觀測與分析，缺乏對漩渦流動全過程的研究。

(3)關(guān)于漩渦的研究大部分圍繞尺寸固定的進(jìn)水口形式進(jìn)行，對其他形式進(jìn)水口前漩渦的研究較少，如泄洪閘門啟門過程中產(chǎn)生的閘前漩渦，需要加強(qiáng)這方面的研究。

(4)研究重點(diǎn)在探究漩渦自身特性上，對漩渦危害性的討論較少，在后續(xù)研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注漩渦危害的生成機(jī)理以及漩渦生成對外部環(huán)境的影響。