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水平旋流内消能工是生态环境友好的有效消能技术,由于流动的复杂性和量测手段的局限性,对空腔旋流的流场特性及理论缺乏系统研究。考虑到空腔旋流在工程中大量存在,本文以国内外首个水平旋流泄洪洞——公伯峡水平旋流内消能工为例,开展空腔旋流的数值模拟,以形成由理论分析、试验研究(原型试验和模型试验)、数值模拟三种方法组成的研究体系,全方位、深层次地研究空腔旋流流场特性及其流场理论。本研究主要内容包括： ⑴空腔旋流同一断面的压强梯度随着半径的增大而降低,其等值线由密到疏,近壁面压强沿程减小并呈波动式变化,旋流角在沿程上的变化满足指数规律,在旋流洞段其值介于20---900之间;无论是数值大小,还是沿程变化趋势,压强、旋流角的数值模拟值和试验僮均相吻合。通气孔通风是由通气孔进出口的压差引起的,空腔内真空度是原型和模型通风量相似的主要影响因素。水平旋流泄洪洞掺气设施的效果明显并具有较高的消能率,其总消能率可达80％以上。空腔旋流相应断面上流速的数值模拟值和模型试验值吻合良好,其流动状态通过流速等值线、径向流速分布及流速矢量图直观地体现出来;空腔旋流的旋转运动明显,速度梯度在水气交界处最大;从旋流空腔到壁面,切向流速和轴向流速沿径向均呈增大趋势,但切向流速沿程减小而轴向流速沿程增大,并具有一定的保持性,相对于同一断面的其它两向速度而言,径向流速较小。旋流空腔并非标准的圆形,沿程在轴向和径向均有变化,且空腔中心存在偏离旋流洞轴线的现象,其数值模拟结果和试验结果相吻合。湍动能与湍动能耗散率变化趋势一致,其值在旋流空腔区和水气交界面上较大,体现出水气强烈紊动是消能的主要因素之一。采用Realizable k-8湍流模型能够客观真实地模拟出空腔旋流的流动情况。 ⑵空腔旋流的切向流速满足组合涡分布规律,准自由涡指数n是空腔旋流内部流动的微观表现,反应了水流流动的自由程度,同时也是空腔旋流内部能量损耗的直接体现。同一断面分别采用相邻点和边界点为计算基准计算时,所得到的准自由涡指数n值的大小基本相当,根据n值的大小将起旋室和旋流洞内的空腔旋流分为(准)强制涡或(准)自由涡区域;空腔旋流与典型的组合涡之间有一定的联系,同时二者在水流运动方式、断面流体种类和强制涡形态上存在一定的差别。切向速度矩C沿半径逐渐增大,并呈一定的波动性。建立了适合于组合涡流动的断面流量表达式,并代入数值模拟结果进行验证,结果表明,考虑通过边界层内的流量误差,空腔旋流各断面的公式计算泄流量与试验值一致。 ⑶对比起旋室内实际压强与组合涡流场理论压强可知,起旋室内断面压强沿径向的分布基本符合组合涡流场的压力分布规律,同一半径处压强相等。在公伯峡水平旋流洞导0+233.50~0+255.00 m的研究流段上,采用准强制的理论公式计算的压强值与数值模拟值非常接近,说明旋流洞内空腔旋流的组合涡运动中准强制涡分布占主导;在离心惯性力和边界条件的影响下,空腔旋流压强的数值模拟值沿程偏离理论公式计算值的趋势越来越大,并从理论上进行了说明。 ⑷基于空腔旋流切向速度的组合涡分布规律,建立了轴向动能、切向动能、压力势能、轴向动量和切向动量的计算公式,分析了研究流段上的能量特性和动量特性,结果表明空腔旋流的动能转变是由切向动能逐渐转变为轴向动能,轴向动能决定的能量分布。研究流段上的消能率约占总消能率的16.3％,压力水头损失是水头损失的主要组成部分之一;建立了压力水头损失的计算公式,并得到了数值计算结果的验证。