旋流豎井泄洪洞減壓試驗(yàn)研究

姚　軍

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶　400020)

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旋流豎井泄洪洞減壓試驗(yàn)研究

姚軍

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶400020)

摘要：通過(guò)減壓試驗(yàn)對(duì)某工程旋流豎井泄洪洞單體進(jìn)行了相關(guān)模型研究，采用水聽(tīng)器以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)豎井各測(cè)點(diǎn)泄洪時(shí)進(jìn)行了空化噪聲采集，將聲壓級(jí)差作為水流初生空化的一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)算了各測(cè)點(diǎn)的水流空化數(shù)，驗(yàn)證了豎井的抗空蝕空化能力及泄洪安全。

關(guān)鍵詞：旋流豎井；減壓試驗(yàn)；方法與原理；測(cè)點(diǎn)布置；結(jié)果分析

0前言

旋流豎井泄洪洞由于其布置靈活、修建難度較低且消能率較高等突出特點(diǎn)，成為一種較優(yōu)的泄洪消能建筑物[1-5]。沿程壁面的空化特性是控制旋流豎井設(shè)計(jì)與泄洪安全的關(guān)鍵性指標(biāo)，工程上一般采用空化數(shù)來(lái)對(duì)其抗空化空蝕能力進(jìn)行判定。

關(guān)于旋流豎井的泄洪安全問(wèn)題，通常采用具有一定比尺的常壓模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行研究，但是由于工程原型位置海拔高程通常與試驗(yàn)區(qū)相差較大，這就造成了二者的外界大氣壓不相似，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差，尤其是對(duì)外界大氣壓變化較為敏感的空化數(shù)，常壓試驗(yàn)往往不能得到比較滿意的結(jié)果。

本文針對(duì)常壓模型試驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確模擬外界大氣壓的問(wèn)題，結(jié)合某工程旋流豎井泄洪洞，將其單體模型置于能夠精確控制外界氣壓的減壓箱中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界氣壓的完全模擬。通過(guò)在豎井沿程安裝測(cè)量噪聲的水聽(tīng)器對(duì)豎井壁面空化噪聲進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而得到聲壓級(jí)曲線并以之判定空化的發(fā)生，同時(shí)計(jì)算了各測(cè)點(diǎn)的水流空化數(shù)，從而對(duì)旋流豎井的抗空化空蝕能力進(jìn)行準(zhǔn)確的定量描述。

1試驗(yàn)方法與原理

減壓試驗(yàn)對(duì)空化的判別一般采用以噪聲測(cè)試為主、結(jié)合空化數(shù)判別和目測(cè)的方法?？栈频挠^測(cè)和判別在基礎(chǔ)研究中常常被采用，但在具體工程的模型試驗(yàn)中卻變得非常困難，因此，目測(cè)法在本試驗(yàn)中僅作為參考。本試驗(yàn)對(duì)空化的判別采用噪聲測(cè)試法和空化數(shù)判別法相結(jié)合進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)噪聲頻譜的分析可判別空化的發(fā)生，因空化的發(fā)生將導(dǎo)致聲壓級(jí)的突然增加，有明顯的峰值產(chǎn)生[6-8]。經(jīng)驗(yàn)表明，空化發(fā)生時(shí)的聲壓級(jí)較之相應(yīng)頻率的背景聲壓級(jí)(即不發(fā)生空化時(shí)的聲壓級(jí))高5dB～10dB以上。聲壓級(jí)的計(jì)算公式為：

(1)

式中SPL為聲壓級(jí)(dB)；P為所測(cè)得的聲壓(μPa)；Pref為參考聲壓(μPa)，試驗(yàn)中取1μPa

噪聲頻譜曲線具有一定的隨機(jī)性，在本次試驗(yàn)中，噪聲頻譜曲線采用50次采樣得到的歷史平均值。關(guān)于空化初生的噪聲判別標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵是臨界值的確定，本試驗(yàn)中聲壓級(jí)差臨界值的取值采用較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，即(△SPL)max= 5dB。

同時(shí)，工程設(shè)計(jì)中一般用水流空化數(shù)是否小于初生空化數(shù)來(lái)判斷是否發(fā)生空化。對(duì)于某一過(guò)水建筑物，只要獲得了不同真空度下的空化特性，就可以根據(jù)空化初生時(shí)的有關(guān)參數(shù)計(jì)算出該結(jié)構(gòu)物的初生空化數(shù)，水流空化數(shù)的計(jì)算公式為：

σ=(h0+ha-hv)/(v02/2g)

(2)

式中h0為計(jì)算斷面處的時(shí)均動(dòng)水壓力水柱高(m)ha為計(jì)算斷面處的大氣壓力水柱高(m)；hv為水的汽化壓力水柱高(m)；v02/2g為計(jì)算斷面的平均流速水頭(m)

式(2)中的h0及v02通過(guò)常壓模型及數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到，ha及hv為減壓試驗(yàn)時(shí)的相應(yīng)參數(shù)。

2測(cè)點(diǎn)布置與試驗(yàn)工況

根據(jù)數(shù)值計(jì)算成果，豎井段流速最大的部位位于2 760高程附近，該高程以下的豎井段被水流充滿，邊壁壓強(qiáng)相對(duì)較大，故在該高程布置一水聽(tīng)器(3號(hào)水聽(tīng)器)，渦室段與收縮段連接處(1號(hào)水聽(tīng)器)、收縮段與豎井段連接處(2號(hào)水聽(tīng)器)及壓坡段頂部(4號(hào)水聽(tīng)器)。水聽(tīng)器置于專用水聽(tīng)器盒內(nèi)，水聽(tīng)器盒緊貼模型邊壁，測(cè)試時(shí)水聽(tīng)器盒內(nèi)注滿水，以保證傳聲效果良好。圖1為水聽(tīng)器位置圖。

圖1　水聽(tīng)器測(cè)點(diǎn)布置圖

由于本次試驗(yàn)工況為校核水位工況及正常水位工況，試驗(yàn)時(shí)逐漸改變減壓箱中的真空度，用噪聲測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄不同真空度(含相似真空度)下豎井內(nèi)部水流噪聲，再對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)空化與否進(jìn)行判斷。表1為各工況水溫、氣壓等環(huán)境參數(shù)及試驗(yàn)工況表。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2與圖3分別為正常水位與校核水位泄洪，不同測(cè)點(diǎn)在不同相對(duì)相似真空度下的噪聲頻譜曲線，圖中的黑線(正常工況相對(duì)相似真空度為100%時(shí)的曲線；校核工況黑線為相對(duì)相似真空度為100.22%時(shí)的曲線，該曲線對(duì)應(yīng)的水流空化數(shù)比原型值小，屬于超相似情況)為空化相似條件下的噪音頻譜曲線。

可以看到：4個(gè)測(cè)點(diǎn)在相似真空度時(shí)，噪音頻率在100k～160k區(qū)間段的最大聲壓級(jí)差小于5dB，且現(xiàn)場(chǎng)未觀察到空化泡，表明這些測(cè)點(diǎn)在相似情況下未發(fā)生空化，即原型水流在正常與校核水位泄洪時(shí)，渦室段、收縮段、豎井段及壓坡段均不會(huì)發(fā)生空化；并且在正常工況下相對(duì)相似真空度小于75.84%時(shí)才開(kāi)始發(fā)生空化，而校核工況下則是當(dāng)相對(duì)相似真空度小于88.84%時(shí)就開(kāi)始發(fā)生空化，這表明相同的旋流豎井體型可以在更高的海拔高程(氣壓更低)位置進(jìn)行修建而不會(huì)出現(xiàn)空化空蝕破壞。

表1　環(huán)境參數(shù)及試驗(yàn)工況表

按照(2)式進(jìn)行計(jì)算，得到旋流豎井泄洪洞不同部位的水流空化數(shù)及初生空化數(shù)(相似情況，校核工況下為超相似100.22%)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出：渦室段、收縮段、豎井段及壓坡段的水流空化數(shù)均大于初生空化數(shù)，并且還有一定的余裕；豎井段下部水流空化數(shù)較小(校核工況為0.179)，但仍大于初生空化數(shù)(0.161)。以上成果表明，豎井旋流泄洪洞在原型水流中不會(huì)發(fā)生空化。

(a)1#水聽(tīng)器

(b)2#水聽(tīng)器

(c)3#水聽(tīng)器

(d)4#水聽(tīng)器

(a)1#水聽(tīng)器

(b)2#水聽(tīng)器

(c)3#水聽(tīng)器

(d)4#水聽(tīng)器

庫(kù)水位/m斷面高程/mh0/mv0/m·s-1初生空化數(shù)σi水流空化數(shù)σ2865(正常)2814.781.6520.51<0.3960.4062785.164.7428.89<0.2680.2772762.692.5832.53<0.1630.1792737.0912.309.95<3.8033.8332870.27(校核)2814.782.1022.64<0.3110.3502785.167.3531.10<0.2710.2922762.693.3033.71<0.1610.1792737.0920.2510.63<4.5584.737

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)某電站旋流豎井泄洪洞減壓試驗(yàn)的分析研究，并在測(cè)試了正常蓄水位(2 865.00 m)及校核水位(2 870.27 m)，渦室段、收縮段、豎井段及壓坡段水流噪聲的情況下，得出了水流初生空化數(shù)，結(jié)果表明：

渦室段、收縮段、豎井上段及壓坡段的水流空化數(shù)均大于初生空化數(shù)；由于流速較大，豎井段下部水流空化數(shù)較小(校核工況為0.179)，但仍大于初生空化數(shù)(0.161)，而豎井段下部是豎井最可能發(fā)生空化的位置，從空化的角度看，這表明整個(gè)旋流豎井泄洪洞能夠?qū)崿F(xiàn)安全的泄洪。

同時(shí)表明，旋流豎井泄洪洞在原型水流中不會(huì)發(fā)生空化，并且由于當(dāng)?shù)厮骺栈瘮?shù)距離該位置初生空化數(shù)尚有一定余地，且進(jìn)一步表明相同的旋流豎井體型可以在更高的海拔高程(氣壓更低)位置進(jìn)行修建而不會(huì)出現(xiàn)空化空蝕破壞，為旋流豎井泄洪洞在更高海拔區(qū)域修建提供了可靠的依據(jù)。

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姚軍(1987-)，男，侗族，貴州黃平人，畢業(yè)于四川大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)任職于重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

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在建重點(diǎn)水電工程報(bào)道

收稿日期:2015-09-17

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0184-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV651.1+3；TV131.61+7

作者簡(jiǎn)介: