4000 m高海拔地区水电工程泄水建筑物防空蚀破坏设计研究

随着西藏4000 m高海拔地区水利水电工程建设的发展,所在地区大气气压较低,泄水建筑物在高速水流的作用下,极易发生空蚀破坏。通过对高海拔地区水电工程泄水建筑物高速水流空化数影响进行分析,提出了高海拔地区泄水建筑物防空蚀破坏设计原则及相应措施,可为高海拔地区泄水建筑物防空蚀破坏设计提供依据。     

深孔泄洪洞工作（闸）弧门下游水流空化特性分析

深孔泄洪洞工作弧门下游体型及弧门开启方式决定着水流流态的变化,选择不合理有可能引起底板的空蚀破坏。为了明确与此相关的空蚀发生机理及条件,通过水力学模型试验,并结合简单数值模拟计算,对不同体型、不同水头、不同开度条件下的水流空化与空蚀特性进行研究。研究结果表明:受弧门出口射流流场分布影响,弧门下游抛物线及下游陡坡初始段底板压强随着底板以上总水头的增加及弧门开度的减小会快速下降,最大负压接近或超过-14 k Pa,连接闸室与抛物线之间的水平段长度增加5 m,虽然可以使底板压强有一定幅度增加,但高水头、小开度工况下的水流最小空化数仍然比较小,最小值不足0.2;如果以0.2作为抛物线及其上下游段水流初生空化数,同时底板的施工不平整度有所控制,则总水头40 m时弧门最小开度可以达到1/4,若总水头增加至65 m时,弧门只能全开或3/4开度运行,低海拔地区或水平段加长5 m后最小开度可到1/2~3/4。     

高海拔因素对大型泄洪洞水力特性及通风补气影响数值模拟研究

为了保证泄洪安全，大型泄洪洞通常设置掺气减蚀设施和通风补气系统。随着海拔高度增加，大气压、大气密度将会显著降低，这些变化可能会对泄洪洞水流流态和通风补气造成不利影响。在考虑高海拔因素的前提下，采用RNGk-ε紊流模型和Mixture多相流模型对某大型泄洪洞的水气两相流场进行了数值模拟。研究发现：随着海拔高度增加，泄洪洞内的水流运动特性不受影响，但水流空化数显著减小，增加了空化空蚀风险；通风补气系统内的气流体积流量基本维持恒定，但质量流量会因为大气密度的减小而减小。在高海拔地区建设大型泄洪洞，建议按水流空化数设计掺气设施，并适当放大补气通道的尺寸以控制风速，以免产生有害噪声。     

渐扩式泄洪洞出口水流模拟及空化 特性预测研究

为了获得泄洪洞出口段在高速水流情况下的水流特征,分析空化及其对结构可能存在的空蚀破坏影响,本文采用了VOF（Volume Of Fluid）方法,并结合Realizable k-ε紊流模型,对泄洪洞水流进行了三维数值计算。计算获得了压强、流速及水深的三维分布参数,并将部分计算结果与设计值验证,吻合较好。通过引入自定义函数方式计算了整个流场的空化数,获得了泄洪情况下泄洪洞高速水流空化数分布规律及易发生空化空蚀的区域。     

浅谈水轮机的空化和空蚀机理以及抗空化的措施

在水轮机运行中,通常在空化程度还不足以对水轮机工作特性产生可测影响前,空化已经开始。由于水力机械中的水流是比较复杂的,空化现象可以出现在不同的部位及在不同条件下形成空化初生,在水轮机转轮流道内及在其过流部件的局表面上,往往会发生空化而后引起空蚀。轻微的只有少量蚀点,在严重的情况下,空蚀区的金属材料被大量剥蚀,致使表面成蜂窝状,甚至有使叶片穿孔或掉边的现象,严重威胁着机组的安全运行。因此,改善水轮机的空蚀性能已成为水力机械设计及运行人员的重要任务。文章就空化和空蚀性形成机理进行初步的分析,并提出防止措施。     

泄水建筑物若干体型初生空化数的合理取值

 在泄水建筑物高速水流防空蚀水力设计中，通常用水流空化数与初生空化数对比，判别该部位(或体型)是否发生空化。关于体型的初生空化数，一般应通过减压试验确定，而在初步设计优选体型过程中，通常就需知其初生空化数。在前人研究成果基础上，通过综合分析，提出若干体型初生空化数，可供当工程不具备进 行减压试验情况下，设计和科研人员参考。     

KST水电站工程表孔溢洪道模型试验空化数分析

通过建立表孔溢洪道水工模型试验,在不同的水位下对模型进行观测,试验结果显示:将渐变段从20m增加到40m,流态在设计水位时,水流流态平顺,在校核水位时,水翅强度明显变弱;溢流堰段和抛物线段沿程水面线和压强分布正常,局部存在一定负压。通过对空化数计算得出:在设计水位1 305.00m时,沿程空化数最小,且不会发生空化空蚀破坏。     

初生空化数公式的优化研究

初生空化数是衡量过流体型是否发生空化的判别标准。传统的托马公式认为液流负压值达到液体饱和蒸汽压时即发生空化。近来研究表明,气核和液体抗拉强度等对初生空化有重要影响。有学者认为把托马公式中的液体饱和蒸汽压替换为临界压强更为合理。本文在已有研究的基础上,对空化初生机理和影响空化初生的因素进行分析。认为空化仅是气核克服表面张力和液体饱和蒸汽压膨胀而形成的,并没有克服液体抗拉强度,且在空化源附近的液体几乎不具有抗拉强度,并基于此提出新的初生空化数公式。     

二元明流反弧段的水力特性及空化特性

明流反弧段是容易发生空蚀的部位。本文从系统研究二元明流反弧段的水力特性入手,探讨反弧段的空化特性。根据势流理论,导出反弧段的时均压强、时均流速以及水深的分布规律,并对脉动压强及脉动流速进行初步探讨。对边壁附近的流速分布,根据实测资料进行局部修正。文中还介绍了反弧段的边界层特征及阻力系数。根据迭加方程,导出了反弧沿程临界空化数的变化规律,并与水流空化数进行比较,认为,反弧末端阻力系数及临界空化数的大为升高,是反弧末端更易于发生空蚀的主要原因。     

门槽空化的特性分析及影响因素探讨

流经门槽的水流运动是一种复杂的水力学现象,门槽水流的空化会对闸门的正常运行造成严重影响。本文初步阐述了门槽空化的类型,发生的必要条件,门槽的水流结构及门槽中极易发生空化的部位。门槽的临界空化状态在研究空化现象时是很重要的,此时的水流空化数称为初生空化数;水流空化数大于初生空化数,将不会发生空化。本文总结了影响门槽初生空化有几何参数和物理参数两方面,并且详细介绍了几何参数中门槽的宽深比和错距比两个主要参数对门槽初生空化的影响情况。     

空化形成机理和比尺效应

高速水流容易发生空化，为进一步研究空化的形成机理和影响因素。对空化形成机理和液体粘性、表面张力、气核状况等影响因素的最新研究成果进行了综合分析。水流空化试验中存在比尺效应，指出并建立了空化比尺效应的经验公式。对空化机理的研究还有待进一步深入。     

Orifice plate cavitation mechanism and its influencing factors

The orifice plate energy dissipater is an economic and highly efficient dissipater.However,there is a risk of cavitaion around the orifice plate flow.In order to provide references for engineering practice,we examined the cavitation mechanism around the orifice plate and its influencing factors by utilizing mathematical analysis methods to analyze the flow conditions around the orifice plate in view of gas bubble dynamics.Through the research presented in this paper,the following can be observed:The critical radius and the critical pressure of the gas nucleus in orifice plate flow increase with its initial state parameter τ0;the development speed of bubbles stabilizes at a certain value after experiencing a peak value and a small valley value;and the orifice plate cavitation is closely related to the distribution of the gas nucleus in flow.For computing the orifice plate cavitation number,we ought to take into account the effects of pressure fluctuation.The development time of the gas nucleus from the initial radius to the critical radius is about10-7-10-5 s;therefore,the gas nucleus has sufficient time to develop into bubbles in the negative half-cycle of flow fluctuation.The orifice critical cavitation number is closely related to the orifice plate size,and especially closely related with the ratio of the orifice plate radius to the tunnel radius.The approximate formula for the critical cavitation number of the square orifice plate that only considers the main influencing factor was obtained by model experiments.     

AN EXPERIMENTAL STUDY ON INCIPIENT CAVITATION EROSION OF FLOOD DISCHARGE TUNNEL WITH ORIFICE

Serial grades of cement mortar specimens have been tested on the model of con-crete-lining flood discharge tunnel with orifice,The results show that incipient cavitation erosionnumber is much smaller than incipient cavitation number.Based on the principle of bubble dy-namics,the flow speed effect on incipient cavitation erosion number for cement mortar is pre-sented.     

万家寨水电站水中含沙对空化压力的影响

对万家寨水电站含沙量对水力机械内空化压力的影响进行了研究，并利用自行研制的测量装置实测了黄河万家寨水电站含沙水样的初生空化与，临界空化压力．实测结果表明，随着含沙量的增大，初生空化与临界空化压力值均有所提高，且接近线性关系．这一成果可用于所有含沙河流上的水电站水轮机与水泵站水泵合理确定安装高程时的参考．这样做可以减少空蚀与泥沙磨损给运行带来的经济损失．     

高海拔地区台阶式溢洪道水力特性研究

为了探究高海拔地区台阶式溢洪道水力特性,对坝顶位于海拔 2 586.0 m,斜坡角度 θ=32° 的某大坝台阶式溢洪道进行了模型试验。通过改变来流流量,研究了 3 种不同工况下溢洪道台阶竖直面及水平面时均压强、水面线、流速、脉动压强等水力特性。结果表明:在 3 种试验工况下,台阶式溢洪道不仅具有较高消能率,而且不会发生空化空蚀破坏;溢洪道竖直面及水平面压力沿程为跳跃式分布;水深及流速在台阶溢洪道上达到某一值后,基本稳定。该结果可为高海拔地区的台阶式溢洪道优化设计提供参考依据。     

溢洪道底板空蚀发生位置及抗空蚀措施分析

以肯斯瓦特水利枢纽工程为例,通过水工模型试验,测试其设计水位工况下和泄洪消能标准水位工况下溢洪道泄洪时底板的流速及压力分布,并根据空化理论模型对其底板沿程空化数进行了计算。结果表明:可以通过溢洪道流速特性和底板压力分布来分析过流面的空化空蚀特点;在实际工程中,可采用优化过流面的体形、设置掺气减蚀设施、控制溢流面的不平整度以及使用抗空蚀材料等方法来防止空化和空蚀的发生。     

验证用于初生空化数检测的比较法

该文作者在若干年前提出了用于初生空化试验的"比较法"的概念.方法的原理是:当初生空化数和消失空化数之差达到最小时,试验液体的抗拉强度就非常接近于零.由此;可以在不用专业仪器的情况下,检测不受液体抗拉强度影响的初生空化数.近年来的的研究成果证实了该"比较法"与使用检测仪器得到的成果具有相同的效果,进一步地验证和讨论了它的合理性.