非对称管道布置圆形配水井的掺气涡旋演变与临界淹没度

《Water》：Air-Entraining Vortex Transitions and Critical Submergence in a Circular Water Distribution Well with an Asymmetric Pipe Arrangement

　　

具有非对称进出口布置的圆形配水井容易产生掺气涡旋（air-entraining vortices），这可能威胁水工结构及相关设备。为了阐明在相对淹没度（relative submergence, S/D）和出口弗劳德数（Froude number, Fr）共同作用下的涡旋演变及临界条件，研究人员开展了物理模型实验和数值模拟。实验覆盖了S/D值从2.0到5.0，Fr值从1.03到2.06的范围，而数值模拟则复现了十种水力测量工况。研究人员考察了涡旋形态、掺气间歇性（air-entrainment intermittency）和水力特性。通过将多高程的定量实验-模拟验证与系统的S/D-Fr流态分析相结合，进一步揭示了非对称布局下的涡旋演变规律。增大S/D会逐步削弱涡旋，使其从贯穿型掺气涡旋（penetrating air-entraining vortex），经由间歇性掺气（intermittent air entrainment），转变为非掺气的表面涡旋（non-air-entraining surface vortex）。增大Fr会提高掺气间歇性并促进气核向下贯穿。临界相对淹没度（critical relative submergence, Sc/D）随Fr线性增加，拟合关系的决定系数（coefficient of determination）为0.9826。所得临界值普遍高于常用经验公式的预测值，这可能与非对称布置及其导致的持续背景环流有关。所得的临界关系式和涡旋流态图为评估具有类似非对称布局且在可比水力条件下的圆形配水井的运行水位和涡旋风险提供了定量依据。

论文解读文章

1. 研究背景、现存问题与研究意义

在水力学领域，自由表面涡旋是进水口常见的现象，其中掺气涡旋尤为有害，它会降低泄流能力、加剧水流脉动和结构振动，甚至损坏水泵和水轮机等下游设备。圆形配水井是水处理和输配系统中的关键连接构筑物，理想设计中其进出口应呈对称布置以使入流近乎径向地流向出口，从而抑制大规模环流的产生。然而，受限于现场空间、现有管线走向和维护需求，实际工程中进出口常偏离对称布局，这种不对称性会显著改变自由表面的环流强度，导致在低水位运行时出口上方极易形成掺气涡旋。

尽管已有大量关于水力参数对进水口涡旋影响的研究，并提出了诸如Gordon、Reddy-Pickford和Knauss等基于弗劳德数的临界淹没度经验公式，但这些公式大多针对对称或单向进流条件开发。对于具有持续性不对称环流的圆形配水井，这些公式的适用性尚不明确。此外，现有数值研究多局限于少数工况，缺乏结合多高程定量速度验证与双参数流态分析的系统性研究。因此，本研究旨在量化相对淹没度（S/D）和出口弗劳德数（Fr）对此类构型中涡旋演变和掺气消失的耦合影响，填补了这一领域的空白，为具有类似非对称布局的配水井的水力设计和运行水位评估提供关键的定量依据。

2. 关键技术方法

为开展此项研究，研究人员采用了物理模型实验与三维数值模拟相结合的方法。物理模型为一个直径3.000米、高1.000米的圆形配水井混凝土模型，其进水管与出水管轴线成60°夹角，形成非对称布置。实验中，利用变频泵和电磁流量计控制流量，使用点式水位计测量水位，并采用声学多普勒测速仪（ADV）在出口上方特定网格点测量三维瞬时流速。数值模拟方面，研究人员使用ANSYS Fluent软件求解三维非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程（URANS），采用带有旋流修正的重整化群k-ε湍流模型（RNG k-ε model）和流体体积法（VOF）捕捉气-液界面。计算域按物理模型全尺寸建立，并对涡旋易发区进行了局部网格加密，最终通过网格收敛指数（GCI）方法确定了包含约134.5万个单元的网格方案用于后续计算。

3. 研究结果

3.1 相对淹没度对涡旋特性的影响

研究人员固定出口Fr为1.54，通过改变S/D值（从2.0增至4.0）来研究其影响。结果表明，随着S/D增大，涡旋形态从贯穿型掺气涡旋逐渐减弱为非掺气的表面涡旋，掺气间歇性γ从57.9%降至0%。同时，各高程上的无量纲环流（dimensionless circulation, |Γ|）和垂向涡量强度均显著下降。例如，在h/D=0平面上，|Γ|从S1工况的0.4501降至S5工况的0.1373，降幅达69.5%。这表明增大相对淹没度能有效抑制涡旋发展。

3.2 出口弗劳德数对涡旋特性的影响

研究人员固定S/D为2.5，通过增大出口流量使Fr从1.03增至2.06。结果显示，随着Fr增大，涡旋形态从间歇性掺气涡旋演变为贯穿型掺气涡旋，掺气间歇性γ从9.1%单调递增至56.2%，增长速率随Fr增大而加快。虽然速度场整体水平随Fr增大而提升，但无量纲环流|Γ*|变化不大（维持在0.27-0.37之间），表明Fr主要通过增强惯性效应来加深自由水面凹陷和提高气核贯穿频率，而非大幅改变归一化的总体环流强度。垂向涡量的最大值也从6.65 s?1增至25.61 s?1，印证了局部旋转强度的增强。

3.3 临界相对淹没度与涡旋流态图

通过对5×7共35种工况的观察，研究人员发现，在每个Fr下，掺气间歇性γ均随S/D增大而连续减小直至为零。他们将γ=0时的S/D定义为临界相对淹没度S_c/D。结果表明，S_c/D随Fr线性增加，拟合关系为S_c/D = 2.111Fr + 0.537，决定系数R2高达0.9826。与经典经验公式对比发现，本研究的临界值普遍更高，这归因于非对称进出口产生的持续背景环流能在更大淹没深度下维持涡旋。在此基础上，研究人员绘制了Fr-S/D平面上的涡旋流态图，清晰划分出贯穿型掺气、间歇性掺气、无气核涡旋和表面涡旋四个区域，所有区域的边界均随Fr增大而向更大的S/D方向移动。

4. 讨论与结论

研究结论部分指出：（1）增大相对淹没度可显著抑制涡旋发展，使涡旋从贯穿型掺气涡旋转变为非掺气涡旋；（2）增大弗劳德数会增强掺气和气核贯穿能力，使涡旋从间歇性向贯穿型转变；（3）临界相对淹没度随弗劳德数线性增加（S_c/D = 2.111Fr + 0.537，R2=0.9826），其值普遍高于传统经验公式预测，这与非对称布置产生的持续背景环流有关；（4）成功建立了Fr-S/D参数平面上的涡旋流态图，为同类配水井的运行水位控制和掺气涡旋风险评估提供了基础。

研究人员强调，所提出的临界淹没度关系式是经验性的，仅限于当前几何构型，应用于差异较大的进出口布置或水力条件时需要进一步验证。同时，由于物理实验未进行压力测量且数值模拟未考虑相变空化，蒸汽空化现象未被定量评估，这是在将研究成果推广至原型系统时应考虑的局限性。