有壓泄洪洞中隔墩空化特性的試驗研究

李 南，田 忠，范 強，王 韋，唐南波

(四川大學水力學及山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065)

0 引 言

高水頭泄洪洞工作閘室的空化空蝕問題一直倍受關注。空化是水流在常溫下因壓強降低到某一臨界值后，水體內部形成空穴、空洞或空腔的現象。國內外大量的工程實例說明，泄水建筑物中的一些部位，因設計或者施工問題，常常發生空化、空蝕的現象，如胡佛、格蘭峽、二灘等工程的泄洪洞都曾經發生過空蝕破壞[1]。

一些工程由于布置、設計等需要，泄洪洞的單洞結構尺寸較大，因閘門的限制，需在閘室段加設中隔墩，閘室段被一分為二，從而減小了閘門尺寸，以便于高水頭閘門的設計、制造和運行[2]，但閘室內流態相對復雜。目前，關于泄洪洞增設中隔墩后的水流特性研究大多針對水翅現象，紀偉和吳建華等[2,3]比較了不同體型的中隔墩在常壓狀態下的水翅現象并對產生機理進行了研究，提出了一種有效避免水翅危害的新體型。郭彬[4]提出了排洪涵洞中墩由半圓形變為圓弧形后水流沖擊所受的阻力面面積減小，水翅跌入流道水面的流態有所改善。吳建華等[3]通過噪聲測量系統測試了泄洪洞不同體型中隔墩尾部的初生空化數，進而判斷中隔墩尾部的空化特性。鑒于此，作者在減壓箱里開展了有壓泄洪洞中隔墩的空化模型試驗研究，分析了3種中隔墩體型的有壓繞流空化特性，通過對比分析選出了較優體型。

1 試驗設計與測試方法

1.1 模型設計

本文的研究結合某工程泄洪洞進行，工作閘室段前的壓力洞洞徑為12 m，之間由圓變方段過渡，工作閘室設置中隔墩，弧形閘門出口尺寸15 m×8.5 m(寬×高)，最大水頭為120 m，最大泄量為3 317 m3/s，弧形閘門出口最大流速為39 m/s。

模型按重力相似準則設計，比尺為1∶40，模型全部采用有機玻璃制作，以方便觀察過流時的水流流態，見圖1。對于減壓模型試驗既須滿足重力相似準則，又須滿足空化相似準則，要求模型與原型的水流空化數相等，即：

(1)

式中：p/γ為水流相對壓力；pa/γ為大氣壓力；pv/γ為水的飽和蒸汽壓力；下標m指減壓箱中的相關水力要素；下標p指原型的相關水力要素。

減壓箱中應控制的真空壓力為：

p0m/γ=pal/γ-pam/γ

(2)

式中：p0m/γ為相似條件下減壓箱中應控制的真空壓力；pal/γ為試驗時減壓箱所在地的大氣壓力；pam/γ為空化相似條件下減壓箱中的大氣壓力。

相似真空度ηm可表示為：

(3)

相對真空度η/ηm可表示為：

(4)

式中：p0/γ為某一工況下減壓箱中的實際真空壓力，顯然，當η/ηm=1時，為相似真空度工況；當η/ηm<1時，為低真空度工況。

圖1 試驗裝置圖(單位：m)Fig.1 Experimental setup

1.2 試驗設備和測試儀器

本試驗在減壓箱里進行，減壓箱箱體長20 m，寬1 m，高4 m。運行操作在中心控制室進行，可同時調節流量，檢測水溫，驗室大氣壓等試驗條件。噪聲測量儀器采用丹麥B&K公司制造的8103型水聽器(噪聲頻率測量范圍0～100 kHz)、2635型電荷放大器、2636型測量放大器和成都泰斯特公司制造的TST5000動態信號分析系統。

1.3 測點布置和試驗工況

由于中隔墩為左右對稱結構，故在中隔墩頭部上方和側壁布置空化噪聲測點1、2、3、4號，如圖1、圖2所示。從平面上看，中隔墩可看作由圓弧形的墩頭和梯形的墩身組成，且頭部的圓弧與側壁的直線相切。為了分析泄洪洞中隔墩的空化現象，設計了3種體型的中隔墩，墩頭形狀分別為：尖形、橢圓形及半圓形，其中尖形由兩段對稱圓弧組成。中隔墩體型見圖3，各墩頭體型見表1。每個體型選取3個試驗工況，即工況一：2 522 m3/s，工況二：3 141 m3/s，工況三：3 317 m3/s。

圖2 水聽器測點布置Fig.2 Layout sketch of the hydrophones

圖3 中隔墩體型示意圖(單位:m)Fig.3 sketch of middle-piers

體型墩頭形狀曲線方程Ⅰ尖形x2+y2=2.972Ⅱ橢圓形x22.052+y20.522=1Ⅲ半圓形x2+y2=0.52

2 空化的判別標準

空泡的初生、發展和潰滅都會伴隨著噪聲，測量并分析空化噪聲信號是一種研究空化的有效方法，減壓試驗對空化的判別一般采用目測法和噪聲測試分析法相結合的方法，噪聲測試分析法包括最大聲壓級差法和噪聲能量比值法兩種[5,6]。

目測法：當空化初生時，水流中出現的空化泡肉眼可見，當一分鐘出現3～5個空化泡，被認為是空化初生[6]。

最大聲壓級差法：判斷空化噪聲聲壓級與背景噪聲聲壓級差值得最大值是否大于臨界值。聲壓級的計算公式為：

(5)

式中：SPL為聲壓級，dB；P所測得的聲壓，μPa；Pref為參考聲壓，μPa，試驗中取Pref=1 μPa(MPa)。

聲壓級差值ΔSPL為所需相似真空度(η/ηm=1)下水流的噪聲聲壓級與無空化發生時的背景噪聲聲壓級之差，其中背景噪聲的相對真空度η/ηm=80%。最大聲級差為兩條頻譜曲線之間的最大差值。目前最大聲壓級差的臨界值還沒有統一的標準，文獻[7,8]用5～10 dB作為空化初生的判別標準，文獻[6]用10 dB作為空化初生的判別標準，文獻[9]用17 dB作為空化初生的判別標準，文獻[10]用10～20 dB作為空化初生的判別標準。

噪聲能量比值法：判斷噪聲能量比值是否大于臨界值。一般采用E/E0=2作為空化初生的判別標準[6]。水流噪聲能量的計算公式為：

(6)

式中：ρC0為水的聲阻抗；p(fi)為頻譜聲壓級；Δfi為計算頻帶寬。

設背景噪聲能量為E0，則不同相對真空度η/ηm的噪聲能量比值為：

(7)

在試驗中，最大聲壓級差的臨界值取值為15 dB，噪聲能量比值的臨界值取值為2。

3 試驗結果與分析

3.1 目測法

減壓試驗進行時，在箱體外觀察中隔墩附近有無空化泡產生，統計空化泡個數，得出體型Ⅰ在工況三時平均1 min出現了1個空化泡；體型Ⅱ在工況三時沒有看到肉眼可見的空化泡；體型Ⅲ在工況三時平均1 min出現了3個空化泡，空化強度較弱。

3.2 最大聲壓級差法

噪聲頻譜曲線采用100次采樣曲線的歷史平均值，分析區間取40～100 kHz。將所需相似真空度(η/ηm=1)，3個工況時4個水聽器測點的最大噪聲聲壓級差值列入表2。

從表2可以看出，3個體型的最大聲壓級差都小于15 dB，沒有發生明顯空化。3種中隔墩體型屬于流線型，說明流線型中隔墩本身具有一定的抗空化能力。對于同一體型的同一部位，例如體型Ⅰ的1#測點，在工況一、工況二、工況三時的最大聲壓級差分別為5、9、12 dB，依次遞增，其他體型、測點規律大致相同，說明同一個體型水流流速越大，越容易空化；下面就以最危險的工況三來分析，對于同一體型的不同部位，例如體型Ⅰ的4個測點，最大聲壓壓級差分別為12、5、5、7 dB，先減小再增大，其他兩個體型規律類似，說明在有壓泄洪洞里，中隔墩頭部發生分流現象，容易發生空化，依次為尾部，中部；對于不同體型的同一部位，例如三個體型的1號測點，最大聲壓級差分別為12、10、14 dB，其他3個測點規律類似，說明半圓形墩頭容易空化，依次為尖形、橢圓形。

表2 相似真空度下最大聲壓級差值表Tab.2 Maximum SPL differences at similarity vacuum pressure

由上述分析知，中隔墩頭部，即1#測點附近最容易空化，這里列出了體型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、的1號測點空化噪聲的頻譜曲線圖，見圖4～圖6，其他測點規律類似。

圖4 體型Ⅰ空化噪聲頻譜曲線Fig.4 Spectrum curve of noise of the middle-pier with shapeⅠ

圖5 體型Ⅱ空化噪聲頻譜曲線Fig.5 Spectrum curve of noise of the middle-pier with shapeⅡ

圖6 體型Ⅲ空化噪聲頻譜曲線Fig.6 Spectrum curve of noise of the middle-pier with shape Ⅲ

3.3 能量比值法

由上面最大聲壓級差法分析可知，中隔墩頭部(1號測點附近)較易發生空化，此處以1號測點為例分析，將不同體型在工況三時的噪聲能量與背景噪聲能量的比值和相對真空度的關系繪入圖7。從圖7中可以看出，3個體型的相似真空度噪聲能量比值都小于2，體型Ⅲ的曲線位于最上方，體型Ⅱ的曲線位于最下方，同樣也說明了3種中隔墩體型都沒有發生空化，且橢圓形墩頭最優，半圓形墩頭最差。

圖7 1號測點不同η/ηm條件下的噪聲能量比值曲線Fig.7 Noise energy ratio (E/E0) of 1# hydrophone versus η/ηm with different head shapes

4 結 論

本文針對高水頭大流量泄洪洞增設中隔墩后的空化問題進行了減壓模型試驗，測量了3種不同體型中隔墩的空化噪聲，采用目測法、最大聲壓級差法、能量比值法對空化特性進行了綜合分析，結果表明。

(1)在有壓泄洪洞里，3種中隔墩體型屬于流線型，都沒有發生明顯空化，但體型Ⅲ(半圓形墩頭)可能已發生弱空化，說明流線型中隔墩本身具有一定的抗空化能力。

(2)水流在中隔墩頭部發生分流現象，此處較容易發生空化，其次為尾部、中部。

(3)通過對3種體型的對比分析得，橢圓形墩頭最優，依次為尖形，半圓形。本文提出的中隔墩體型可供類似工程參考。

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