高速水流水力特性原型觀測的涂層痕跡法初探

萬繼偉，牛爭鳴，路洪波

高速水流水力特性原型觀測的涂層痕跡法初探

萬繼偉，牛爭鳴，路洪波

（西安理工大學水利水電學院，西安 710048）

對常規原型觀測的方法和技術進行了評述，指出高速水流特性原型觀測存在的一些難點與不足，提出用新的涂層痕跡法進行高速水流水力特性原型觀測的基本原理和技術方法，并結合室內試驗研究和在工程中的初步應用，論述了這種方法技術的可行性。同時還探討了該方法技術進一步研究的內容和技術路線，展望了應用前景。關鍵詞：高速水流；原型觀測；涂層痕跡法；室內試驗；工程應用

1 概 述

為了確保水利水電工程的安全運行，需要對泄水建筑物的水力特性（霧化、摻氣、振動、空蝕、脈動等）進行原型觀測與適時監測，并通過原型觀測和監測檢驗驗證設計與研究的成果，促進新技術的推廣，及時監測與發現問題，采取有效的工程或技術措施避免事故的發生，直接為工程的運行管理、優化調度服務，使其安全運行的效益最大化［1］。

近些年來，我國具有代表性的原型觀測主要有：二灘水電站高雙曲拱壩水力學及流激振動原型觀測、東風水電站水力學原型觀測、天生橋Ⅰ級水電站原型觀測、隔河巖大壩消力池消能工水力學原型觀測、小浪底孔板消能泄洪洞和公伯峽水電站旋流泄洪洞水力學原型觀測等。在這些原型觀測工作中，獲取了大量非常寶貴的在高速水流條件下泄水建筑物的振動、下游沖刷、霧化與空化空蝕等方面的資料，受到國際水力學界的關注，為解決高壩大流量工程設計中的關鍵性技術問題、進一步推動高壩水力學理論研究和開發西部水電能源建設積累了重要經驗［2］。如1997年對東風水電站進行的水力學原型觀測，在國內第一次實現了在水電站泄洪時對雨霧強度和可見度的觀測；又如二灘水電站高雙曲拱壩水力學及流激振動原型觀測檢驗了工程設計首創采用壩身泄水水流對撞落入水墊塘消能，適用于小底坡低佛氏數的“U”型摻氣坎等多項新技術，特別是霧化定量的觀測成果，對我國在建和擬建的300 m級（如小灣、溪洛渡、錦屏等）高拱壩泄洪建筑物的設計和運行具有非常重要的參考價值。

伴隨電子信息技術、自動化、材料等領域的發展，用于水工水力學原型觀測的各測量軟硬件設備的技術參數也得到了很大的提升，使得觀測的項目更加全面、數據更加精確。但實踐表明，高速水流特性的原型觀測對觀測的設備儀器及技術參數有很高的要求，甚至有些還不能完全滿足高速水流特性原型觀測的需要［3］。

作為一種新的高速水流特性原型觀測的方法和技術的探討，本文將分析目前高速水流特性原型觀測存在的難點與觀測方法的不足，介紹涂層痕跡法進行高速水流水力特性原型觀測的基本原理，結合實驗研究和工程應用研究綜合分析該法的可行性。

2 高速水流水力特性原型觀測存在的問題

目前通過使用常規的觀測儀器與設備能較好地完成原型脈動壓力、空化噪聲、摻氣、水溫、流速、水位、通氣量等一般的常規水力學觀測項目的原型觀測，對泄洪霧化、挑距等的觀測技術也都較為成熟。但是對高速水流水力特性的原型觀測，仍然存在著技術方法不夠成熟、技術設備或觀測手段難以適應的現場觀測條件，觀測費用很高和準備期較長等問題，主要表現在：

（1）高速水流的流場敏感性很強，容易受到布置的觀測儀器傳感器探頭的干擾，從而對原型流場的某些重要參數（如流態、流速、空化空蝕）造成人為的改變。

（2）高速水流的特性變化復雜，對觀測儀器的適應性與性能要求很高。要求其具有很高的抗干擾性能、很強的適應性和較高的靈敏度，而現有的觀測儀器很難滿足全部適應性與性能要求。

（3）受觀測費用等因素的影響，觀測點布置非常有限，因此原型觀測的信息采集量少，連續性差，觀測成果的規律性不明顯，系統性不強。

（4）泄水建筑物過流壁面上體型局部有較大的改變時，例如突擴、突縮、挑坎、跌坎、局部突體等位置，水力特性變化劇烈，正確的測點難以把握，因此無法準確布置觀測儀器或投鼠忌器，不敢在敏感位置布置觀測儀器進行觀測。但這些位置往往是易于出現空化的部位，是最需要進行觀測的地方。

（5）用常規的觀測儀器和方法進行原型觀測的費用成本很高，觀測設備需要在施工階段預先埋置，前期準備時間長，且極易在施工過程中損壞或失效。

因此，現行的水力學原型觀測方法用于高速水流水力特性的原型觀測時，特別是進行特殊部位的空化空蝕的原型觀測時，在時間、空間上都受到了較大的限制，無法得到理想的原型觀測的效果，但所花費的費用與精力都是很高的。這就要求我們在高速水流水力學特性的原型觀測的觀測手段和方法上要有所創新。

3 涂層痕跡法的基本原理

針對上述高速水流水力特性的原型觀測中存在的問題，結合公伯峽旋流泄洪洞水力特性的原型觀測，我們提出了一種新的觀測方法和技術——涂層痕跡法［2，4］。涂層痕跡法是將制備在泄水建筑物過流壁面上的涂層材料的力學特性與高速水流的邊界層的水力特性相結合，用高速水流作用在涂層材料上所產生的痕跡特性與特征，來定性與定量地觀測高速水流特性的一種新的技術和方法。涂層痕跡是高速水流與固體涂層相互作用的結果，當水流邊界層壁面剪切力或水流空蝕破壞強度大于涂層材料的抗剪切能力與抗空蝕強度時，涂層就會發生破壞而留下痕跡；如果涂層材料的力學特性隨速度或空化強度的變化具有某種梯度關系，不同的涂層痕跡的特性與特征就可反映出這種對應的關系；在涂層材料中添加對水流含氣量或溫度變化反應敏感的相關材料也能經過液固相互作用后留下相應痕跡。這就是涂層痕跡法進行高速水流水力特性原型觀測的基本原理。用涂層痕跡法進行高速水流水力特性原型觀測的技術方法為：

（1）通過室內試驗，選擇可用于高速水流水力特性原型觀測的涂層材料與配比，研究涂層材料的力學特性，研究涂層（試件）隨速度或空化強度變化的關系等；

（2）在泄水建筑物上制備這種具有隨速度或空化強度的變化關系的涂層，泄水建筑物過水后，對其涂層痕跡進行物理量測，如涂層痕跡的長短、深淺、面積、范圍、方向等，并對涂層痕跡進行攝像和分析處理；

（3）用相同材料與方法制備涂層試件，采用分級變化的速度或空化強度進行涂層痕跡的反演室內試驗、涂層痕跡攝像和分析處理；

（4）對比原型觀測和反演試驗得到的涂層痕跡的特性和特征及圖像分析與處理的特性和特征，確定泄水建筑物的原型觀測的水力特性，例如空蝕、旋流角、壁面剪切力、水溫、含氣量、壁面流速及其沿程變化規律等。

4 涂層痕跡法的室內試驗及在工程中的初步應用

4．1 涂層痕跡法的室內試驗研究

根據現有實際工程項目運行結果統計，大多數工程泄水最大流速基本在30～50 m／s量級。本實驗設計制作了一套最大流速為32 m／s的有壓高速水流沖刷系統。系統由高壓水泵、穩壓段、高壓管路、噴嘴、實驗段、消能擴散段、量水堰及回水管路、地下水庫組成。

為使涂層材料具有較明顯的痕跡，涂層材料應具有脆性變形特性，涂層在結構組成上要均勻、連續和滿足各向同性。選材的基本技術路線為：按照在30m／s量級流速的沖刷下，既能粘得住，又能沖得掉的基本原則，試驗初步選擇了十幾種材料、粘結劑和添加劑，按一定的配合比，在混凝土試件的表面上涂刷形成幾十組涂層試件，進行選材階段沖刷試驗，具體選材論證參見文獻［4，5］。根據對沖刷后的涂層的粘附力、沖刷痕跡的清晰程度、溝槽的深度等因素的綜合定性判斷，最后選定原型觀測的基本涂層材料與配比。

根據上面的選材配比試驗的結果，試驗制備系列不同配比的涂層試塊進行速度32 m／s量級的高速水流沖刷痕跡和痕跡重復性驗證試驗（沖刷結果如圖1所示），研究用于原型觀測的涂層材料的力學特性，研究涂層（試件）隨速度或空化強度的變化的關系，研究涂層痕跡的圖像分析與處理方法等。

圖1 涂層沖刷痕跡Fig．1 The eroded trace of coating

4．2 工程應用研究

2006年我們采用涂層痕跡法結合室內反演試驗和涂層痕跡的圖像的對比分析與處理，成功地進行了公伯峽水電站旋流內消能泄洪洞水力學特性原型觀測［4］。原型觀測結果表明，在許多涂層試塊上留下的痕跡比較明顯而且具有一定的規律性。

圖2所示為用涂層痕跡法得到的旋流角的沿程觀測結果，表1為旋流洞段近壁面的流速觀測結果。由圖2與表1可見，涂層痕跡法原型觀測與水工模型試驗所得的旋流角基本一致，旋流洞壁面流速與模型試驗所測數據吻合也較好。反演試驗涂層痕跡與原型觀測中涂層痕跡的形狀非常相似，原型的涂層沖刷痕跡也得到了很好的重現。

圖2 原型觀測得到的涂層痕跡圖像Fig．2 The coating trace image by prototype observation

圖3 旋流夾角沿程觀測比較圖Fig．3 Comparison of included angles of rotary flow along regulation observation

因此通過這種方法和技術的初步研究和應用證明，用本文所述的涂層痕跡法對原型的部分水力特性的定性和定量觀測是可行的，但要作為一種能普遍使用的技術與方法，尚需要深入系統的基礎研究與原型觀測實踐。

表1 旋流洞壁面流速量測值對比Table 1 Comparison of observed wall surface flow velocities in rotary flow tunnel

5 結 語

我國原型觀測在研究和技術設備方面都取得了可喜的成果，但由于高速水流本身具有復雜的特性，促使我們必須在觀測的技術方法上進行創新。

涂層痕跡法對高速水流的流場干擾很小，有較強的適應性；可布置較多觀測點和在體型局部有較大的改變或敏感位置布置觀測點進行觀測；費用成本很低，無需在施工階段預先埋置。這種方法和技術可彌補現有觀測方法和技術的不足，經初步研究和工程應用證明是可行的。

高速水流邊界層理論，材料力學應力與應變關系及高速水流的近壁水力特性與涂層材料的力學特性的相互作用原理是研究這種方法的理論基礎。基礎涂層材料的力學特性，涂層（試件）隨速度或空化強度變化的關系等方面的基礎研究是這種方法的技術基礎，涂層痕跡的反演試驗和涂層痕跡的圖像分析處理是實現原型水力特性正確觀測的關鍵。

可進一步研發涂層痕跡系列觀測材料，包括速度梯度材料，壁面溫度感應梯度材料，空化與空蝕初生感應梯度材料和摻氣量感應梯度材料等，用于不同水力特性的觀測與分析。

在研究技術路線上，應當結合材料力學、水力學、圖像處理和分析、化學等多學科綜合進行理論和實驗研究，并通過大量的工程實際應用研究，整理出較完整的與流速、壁面壓力、沖刷、空蝕、磨損等水力特性對應的涂層痕跡特征圖集，促進該項技術應用推廣，為工程建設服務。

［1］ 陳欽亮．原型觀測的重要性及投資問題［J］．水力發電，1992，（1）：42－43．（CHEN Qin-liang．The Impor-tance and the Issue of Investmentof Prototype Observation［J］．Water Power，1992，（1）：42－43．（in Chinese））

［2］ 萬繼偉，牛助農，牛爭鳴．水工泄水建筑物水力學原型觀測方法和技術［J］．電網與清潔能源，2008，24（3）：58－61．（WAN Ji-wei，NIU Zhu-nong，NIU Zheng-ming．Hydraulic Technique and Methods of Prototype Ob-servation for Hydraulic Engineering Structures［J］，Power System and Clean Energy，2008，24（3）：58－61．（in Chinese））

［3］ 李桂芬．水工水力學研究進展與展望［J］．中國水利水電科學研究院學報，2008，6（3）：183－190．（LIGui-fen．Advance and Prospect in Research on Engineering Hydraulics．Journal of China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，2008，6（3）：183－190．（in Chinese））

［4］ 牛爭鳴，洪 鏑，張浩博，等．用涂層痕跡法進行高速水流原型觀測的探討［C］∥水力學與水利信息學進展，南京：河海大學出版社，2007：388－394．（NIU Zheng-ming，HONG Di，ZHANG Hao-bo，et al．Coating Trace Method Based on Prototype Observation of High-Speed Flow［C］∥Advance in Hydraulics and Hydroinfor-matics in China，Nanjing：Hohai University Press，2007：388－394．（in Chinese））

［5］ 公伯峽水電站建設公司．公伯峽水電站工程右岸旋流泄洪洞水力特性的原型觀測總結報告［R］．青海：公伯峽水電站建設公司，2006．（Gongboxia Hydropower Sta-tion Construction Company．Prototype Observation Report of Rotary Flow Hydraulic Characteristics of Flow Dis-charge Tunnel at the Right Bank of Gongboxia Hydropow-er Station［R］．Qinghai：Gongboxia Hydropower Station Construction Company，2006．（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Coating Trace M ethod Adopted in Prototype Observation of Hydraulic Characteristics of High-Speed Flow

WAN Ji-wei，NIU Zheng-ming，LU Hong-bo
（Institute ofWater Resources and Hydroelectric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China）

By reviewing themethods and techniques of conventional prototype observation，this paper pointed out that difficulties and shortcomings exist in the prototype observation of high-speed flow characteristics．The basic principles and techniques of new coating tracemethod were proposed to solve these problems in the prototype obser-vation，and the technical feasibility of thismethod was expounded based on laboratory experiment and preliminary application in engineering．Finally，the paper probed into the content and the technologyway for further study，and looked into its application prospect．

high-speed flow；prototype observation；coating trace method；laboratory experiment；application in engineering

TV698．12

A

1001－5485（2011）04－0071－04

2010-12-05

陜西省重點學科建設專項資金資助項目

萬繼偉（1983-），男，重慶黔江人，博士研究生，主要從事高速水力學研究，（電話）13474359676（電子信箱）sin45jerry＠sina．com。