李 南，田 忠，范 強(qiáng)，王 韋，唐南波

(四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)注?？栈撬髟诔叵乱驂簭?qiáng)降低到某一臨界值后，水體內(nèi)部形成空穴、空洞或空腔的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外大量的工程實(shí)例說明，泄水建筑物中的一些部位，因設(shè)計(jì)或者施工問題，常常發(fā)生空化、空蝕的現(xiàn)象，如胡佛、格蘭峽、二灘等工程的泄洪洞都曾經(jīng)發(fā)生過空蝕破壞[1]。

一些工程由于布置、設(shè)計(jì)等需要，泄洪洞的單洞結(jié)構(gòu)尺寸較大，因閘門的限制，需在閘室段加設(shè)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(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行[2]，但閘室內(nèi)流態(tài)相對(duì)復(fù)雜。目前，關(guān)于泄洪洞增設(shè)中隔墩后的水流特性研究大多針對(duì)水翅現(xiàn)象，紀(jì)偉和吳建華等[2,3]比較了不同體型的中隔墩在常壓狀態(tài)下的水翅現(xiàn)象并對(duì)產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)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?yōu)閳A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(tài)有所改善。吳建華等[3]通過噪聲測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試了泄洪洞不同體型中隔墩尾部的初生空化數(shù)，進(jìn)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(yàn)研究，分析了3種中隔墩體型的有壓繞流空化特性，通過對(duì)比分析選出了較優(yōu)體型。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試方法

1.1 模型設(shè)計(jì)

本文的研究結(jié)合某工程泄洪洞進(jìn)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(shè)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(zhǔn)則設(shè)計(jì)，比尺為1∶40，模型全部采用有機(jī)玻璃制作，以方便觀察過流時(shí)的水流流態(tài)，見圖1。對(duì)于減壓模型試驗(yàn)既須滿足重力相似準(zhǔn)則，又須滿足空化相似準(zhǔn)則，要求模型與原型的水流空化數(shù)相等，即：

(1)

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

減壓箱中應(yīng)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(yīng)控制的真空壓力；pal/γ為試驗(yàn)時(shí)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(duì)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(shí)際真空壓力，顯然，當(dāng)η/ηm=1時(shí)，為相似真空度工況；當(dāng)η/ηm<1時(shí)，為低真空度工況。

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器

本試驗(yàn)在減壓箱里進(jìn)行，減壓箱箱體長(zhǎng)20 m，寬1 m，高4 m。運(yùn)行操作在中心控制室進(jìn)行，可同時(shí)調(diào)節(jié)流量，檢測(cè)水溫，驗(yàn)室大氣壓等試驗(yàn)條件。噪聲測(cè)量?jī)x器采用丹麥B&K公司制造的8103型水聽器(噪聲頻率測(cè)量范圍0～100 kHz)、2635型電荷放大器、2636型測(cè)量放大器和成都泰斯特公司制造的TST5000動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置和試驗(yàn)工況

由于中隔墩為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故在中隔墩頭部上方和側(cè)壁布置空化噪聲測(cè)點(diǎn)1、2、3、4號(hào)，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(cè)壁的直線相切。為了分析泄洪洞中隔墩的空化現(xiàn)象，設(shè)計(jì)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(duì)稱圓弧組成。中隔墩體型見圖3，各墩頭體型見表1。每個(gè)體型選取3個(gè)試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)

空泡的初生、發(fā)展和潰滅都會(huì)伴隨著噪聲，測(cè)量并分析空化噪聲信號(hào)是一種研究空化的有效方法，減壓試驗(yàn)對(duì)空化的判別一般采用目測(cè)法和噪聲測(cè)試分析法相結(jié)合的方法，噪聲測(cè)試分析法包括最大聲壓級(jí)差法和噪聲能量比值法兩種[5,6]。

目測(cè)法：當(dāng)空化初生時(shí)，水流中出現(xiàn)的空化泡肉眼可見，當(dāng)一分鐘出現(xiàn)3～5個(gè)空化泡，被認(rèn)為是空化初生[6]。

最大聲壓級(jí)差法：判斷空化噪聲聲壓級(jí)與背景噪聲聲壓級(jí)差值得最大值是否大于臨界值。聲壓級(jí)的計(jì)算公式為：

(5)

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

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

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(biāo)準(zhǔn)[6]。水流噪聲能量的計(jì)算公式為：

(6)

式中：ρC0為水的聲阻抗；p(fi)為頻譜聲壓級(jí)；Δfi為計(jì)算頻帶寬。

設(shè)背景噪聲能量為E0，則不同相對(duì)真空度η/ηm的噪聲能量比值為：

(7)

在試驗(yàn)中，最大聲壓級(jí)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 目測(cè)法

減壓試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，在箱體外觀察中隔墩附近有無空化泡產(chǎn)生，統(tǒng)計(jì)空化泡個(gè)數(shù)，得出體型Ⅰ在工況三時(shí)平均1 min出現(xiàn)了1個(gè)空化泡；體型Ⅱ在工況三時(shí)沒有看到肉眼可見的空化泡；體型Ⅲ在工況三時(shí)平均1 min出現(xiàn)了3個(gè)空化泡，空化強(qiáng)度較弱。

3.2 最大聲壓級(jí)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(qū)間取40～100 kHz。將所需相似真空度(η/ηm=1)，3個(gè)工況時(shí)4個(gè)水聽器測(cè)點(diǎn)的最大噪聲聲壓級(jí)差值列入表2。

從表2可以看出，3個(gè)體型的最大聲壓級(jí)差都小于15 dB，沒有發(fā)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(duì)于同一體型的同一部位，例如體型Ⅰ的1#測(cè)點(diǎn)，在工況一、工況二、工況三時(shí)的最大聲壓級(jí)差分別為5、9、12 dB，依次遞增，其他體型、測(cè)點(diǎn)規(guī)律大致相同，說明同一個(gè)體型水流流速越大，越容易空化；下面就以最危險(xiǎn)的工況三來分析，對(duì)于同一體型的不同部位，例如體型Ⅰ的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，最大聲壓壓級(jí)差分別為12、5、5、7 dB，先減小再增大，其他兩個(gè)體型規(guī)律類似，說明在有壓泄洪洞里，中隔墩頭部發(fā)生分流現(xiàn)象，容易發(fā)生空化，依次為尾部，中部；對(duì)于不同體型的同一部位，例如三個(gè)體型的1號(hào)測(cè)點(diǎn)，最大聲壓級(jí)差分別為12、10、14 dB，其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)規(guī)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(jí)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(cè)點(diǎn)附近最容易空化，這里列出了體型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、的1號(hào)測(cè)點(diǎn)空化噪聲的頻譜曲線圖，見圖4～圖6，其他測(cè)點(diǎn)規(guī)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(jí)差法分析可知，中隔墩頭部(1號(hào)測(cè)點(diǎn)附近)較易發(fā)生空化，此處以1號(hào)測(cè)點(diǎn)為例分析，將不同體型在工況三時(shí)的噪聲能量與背景噪聲能量的比值和相對(duì)真空度的關(guān)系繪入圖7。從圖7中可以看出，3個(gè)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(fā)生空化，且橢圓形墩頭最優(yōu)，半圓形墩頭最差。

圖7 1號(hào)測(cè)點(diǎn)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(jié) 論

本文針對(duì)高水頭大流量泄洪洞增設(shè)中隔墩后的空化問題進(jìn)行了減壓模型試驗(yàn)，測(cè)量了3種不同體型中隔墩的空化噪聲，采用目測(cè)法、最大聲壓級(jí)差法、能量比值法對(duì)空化特性進(jìn)行了綜合分析，結(jié)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(fā)生明顯空化，但體型Ⅲ(半圓形墩頭)可能已發(fā)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(fā)生分流現(xiàn)象，此處較容易發(fā)生空化，其次為尾部、中部。

(3)通過對(duì)3種體型的對(duì)比分析得，橢圓形墩頭最優(yōu)，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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