张霄月 杨帆 郭雪岩

摘 要： 为了研究自由表面涡流动规律，采用Fluent软件对这一层流流动现象进行了数值模拟。计算中运用流体体积（VOF）模型处理汽水交界面，得到了自由表面涡的流动结构和演化过程，旋涡发展状态与涡量之间的关系。在自由表面涡形成过程中，流体中心区域的涡量随时间不断增大。当涡量达到一定程度时，自由液面处开始出现旋涡，并不断向下延伸直至达到稳定。同时得到了涡核半径、涡核半径处最大切向速度、涡核处环量、涡核内切面速度梯度以及流场中各个速度分量随高度和时间的变化规律。计算结果为了解自由表面涡流动现象提供了一定的参考。

关键词： 自由表面涡； 层流； 涡量； 速度分量

中图分类号： TH 311 文献标志码： A

Numerical Simulation of Free Surface

Vortex Flow Phenomenon

ZHANG Xiaoyue， YANG Fan， GUO Xueyan

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for

Science & Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In order to study the free surface vortex flow，the Fluent program package was used to simulate the laminar flow.Volume of fluid（VOF） model was applied to deal with the interface，and the structure of the vortex flow was obtained.In the process of free surface vortex formation，the velocity in the central regions of the fluid increases with time.When the velocity reaches a certain degree，the free surface vortex forms.The results reveal the relationship between the vorticity and evolution of the vortex，the vortex core radius，the maximum tangential velocity，the circulation of the vortex core，the velocity gradient in the vortex core，as well as the evolution law of the velocity components along with height and time.The calculation results are of valuable reference for the investigation of the free surface vortex.

Keywords： free surface vortex； laminar； vorticity； velocity components

自由表面涡是自然界中常见的现象，多出现在水泵吸水池内和水工建筑物进水口处。当进口上方的涡量强度达到某一临界值或自由液面高度低于所谓的临界淹没深度时，自由表面涡便会发展成携物旋涡或形成气芯，并最终发展成吸气旋涡。这些旋涡的存在会导致离心泵的空化、振动，甚至降低整个泵站的效率。因此研究吸水池入水口处的流动规律，以及自由表面涡的形成原因具有重要的意义。

前人对此现象已进行了大量的实验研究。由于自然界中出现此流动现象的场合种类繁多，为简便起见，学者们多采用侧面流入、底部排出的圆桶状容器，对其内部出现的自由表面涡流动进行观测。……