Page 89 - 2024年第55卷第7期

图 ５ 试验与数值模拟所得吸入涡形态对比（Ｑ＝ １．１２７Ｑ ｄ ，Ｈ ｒ １．３）
＝

４ 结果与分析

４．１ 吸入涡形成动态过程分析 图 ６分别展示了吸入涡从初生到完全发展整个过程的可视化试验图像
与数值模拟结果。在初生阶段，由于离心泵抽吸作用，吸水池内水流向吸入管进口汇集，涡量也不断
向涡核中心聚集，此时吸入涡中心压力低于外部压力，自由液面向下凹陷以静水压力平衡动压降；在
发展阶段，涡量汇集效应不断增强，速度场与压力场变化剧烈，当静水压力与动压降平衡被打破时，
自由液面失稳并被向下拉伸，形成 “漏斗形” 气囊；随着吸入涡发展至强化阶段，气囊再次被拉伸并
分化为涡锥与涡管两个形态，这是由于靠近吸入管进口处流速更高，湍流应力增强导致气囊形态分
离，其中涡管部分延伸至吸入管内；在保持阶段，吸入涡由自由液面贯通至吸入管进口内，至此发展
为贯通式吸入涡，而由于作用在气囊上的湍流应力剪切作用导致其界面力失衡，涡管部分产生脱流、
破碎等现象。在后两个阶段，空气随着吸入涡持续进入机组过流部件，对各部件流动特性产生影响。

图 ６ 吸入涡可视化试验图像与数值模拟结果

为从流场特性方面对吸入涡形成过程进行分析，如图 ７所示，将进水池内吸入管进口前漩涡存在
的区域定义为漩涡区，并在其中选取三个圆形水平断面，将其近似看作过水断面进行分析。其中，自
由液面高度 Ｈ ＝ １４０ｍｍ ，断面 Ｃ与水池底部距离 ｈ ＝ １３２ｍｍ ，各断面间距 ｄ ＝ ２．５ｍｍ 。
ｓ
［２８］
引入速度梯度 τ 与涡动能 Ｅ ［３４］ 作为量化指标进行分析，其定义如下：
２ ２
＋
槡
τ ＝ τ ｘ τ ｙ （２）
ｄｖ
ｘ
＝
τ ｘ μ （３）
ｄｘ
— ８ ４ １ —