突体引发空化的边界层分离涡解释与计算

高速水流流经突体发生边界层分离,并在突体后产生分离涡时,涡心为压强最低区域,该处最先发生空化.据此理论导出了用边壁压强和突体高度处流速来判断是否发生空化的公式:计算的涡心压强小于对应温度下的饱和蒸汽压强时,将发生空化.采用实测资料对该公式的参数进行了率定.     

多级孔板空化与脉动壁压特性

本文结合小浪底四级孔板泄洪洞和碧口二级孔板泄洪洞,研究了多级孔板的空化与脉动特性,对多级孔板的水流空化数和初生空化数随孔径比的变化关系进行了详细地探讨。得到了随着孔径比的增加,孔板的消能率降低而孔板抗空化能力提高的结论。同时,对多级孔板空化前后的脉动荷载分布、脉动压力随孔径比的变化关系进行了讨论,某些成果已被工程设计单位采用。     

有压泄洪洞内多级孔板消能的试验研究

多级孔板是用于有压泄洪洞的一种新型消能措施。为了论证其消能效果和水流特性,特进行了单条洞体的水工模型试验。本文对多级孔板的消能效果、水流特性和空化、空蚀问题等试验成果进行分析研究后提出:(1)在有压泄洪洞内采用多级孔板消能,效果显著。若设五级孔板,其水头损失总和约占总水头损失的93%。(2)一般情况下,孔板消能系数K值随孔径比d/D的减小而增大,随距径比L/D的增大而增大,在充分紊流区,K值和需诺数无关。(3)孔板段最高流速在洞中心附近约为断面平均流速的3倍。(4)孔板段脉动压力幅值随库水位升高而增加。(5)孔板的空化和空蚀问题是多级孔板消能方案的关键问题之一。减小泄洪洞出口断面、抬高下游尾水位或加大孔板的孔径比,均可有效地调整洞内压强,提高水流空化数,避免最末一级孔板发生空化。但由此会相应地减小泄洪洞泄流能力或降低孔板的消能效果,所以在利用多级孔板进行消能设计时,需要权衡利弊,进行适当处理。     

小浪底工程1号孔板泄洪洞水流空化原型试验研究

在库水位为210.18～210.28 m之间时,对小浪底水利枢纽工程1号孔板泄洪洞泄洪情况下多级孔板水流空化特性进行了原型试验。对弧形工作闸门在连续开启过程中各级孔板水流噪声的频谱分析发现,闸门孔口相对开度e/a为0.9时,第二级和第三级孔板处水流噪声声压级突然增加10 dB以上,表明开始出现空化水流,相应三级孔板的水流空化数分别为5.85、5.65和5.03,该结果与考虑缩尺影响修正后的模型试验研究结果基本一致。     

孔板式消能工消能研究

多级孔板消能(Multi-Orifices Energy Dissipation)技术在小浪底水利枢纽成功运用,为高水头水利枢纽消能提供供新的思路。国内外学者研究表明,孔板式内消能工对相比传统消能形式,不仅具有消能效率高的优点,还可大幅度降低洞内水流流速。减轻含沙水流在洞内高速流动对壁面衬砌的破坏,降低空蚀的风险。文章通过详细总结孔板消能的研究成果,对孔板消能的空化特性,脉动压强以及回流区长度问题做了概述。     

高含沙水流脉动特性试验研究

以某工程的表孔为依托,建立1∶100单体模型。通过配置不同含沙量的水流,对水垫塘底板含沙水流的脉动压强进行试验。结果表明,在试验范围内,水流条件不同,含沙量对脉动强度的影响不同:水流条件较强时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先减小后又增大的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最多减小24.73%;水流条件较弱时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先增大后减小的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最大增加78.74%。冲击区含沙水流脉动压力分布比清水更接近正态分布,脉动压力能量大部分集中在0.4 Hz以内,功率谱无明显的优势频率,水流主要以低频大尺度漩涡为主。通过对高含沙水流水垫塘底板的脉动压强进行观测,总结分析了不同因素影响下高含沙水流脉动压强特性的变化规律,为相关工程提供参考。     

圆孔格栅不同开孔率对井式消能水力特性的影响研究

对于山区消能建筑物而言,在地形地质条件受限时,圆形消力井是一种可行的选择,其井深和井径的大小直接影响到工程投资和消能效果。通过水工模型试验,研究格栅开孔率变化对消力井底板时均压强、脉动压强标准差、脉动压强峰峰值等水力特性的影响。成果表明:①当格栅开孔率为40%时,消力井尾水渠水流流态较为平顺,但格栅下部水体紊动剧烈,消力井底板射流水股落点附近水流脉动压强时均值、标准差等均最大;②格栅开孔率降低至35%时,格栅上部水体和尾水渠水流流态紊动稍有增强,但格栅下部水体紊动程度减弱,水股落点附近水流脉动压强时均值、标准差均有所降低;③格栅开孔率进一步减小至30%时,入射水流在格栅上部的弹射现象加剧,导致尾水渠流态极为紊乱,虽然消力井底板时均压强、脉动压强标准差继续降低,但降幅明显减小,趋于稳定。     

泄洪洞两级孔板宣泄含沙水流消能及空化特性的原型试验研究

本文给出了碧口水电站排沙洞两级孔板消能效果及空化特性的研究成果。原型观测表明,两级消能孔板总的水头损失达原水头的30-45％,其消能效果是显著的,浑水时消能孔板初生空化数的量级接近于4.0。在孔板设计时,需认真考虑由于设置孔板引起的水流空化问题。试验说明,与清水相比,水流挟沙后对消能和防止空化是有利的。     

压力脉动下空化的概率估计

水流是否发生空化,目前多以空化数K和初生空化数K_i的比较来判别:当K≤K_i时认为发生空化;当K>K_i时认为不发生空化。由于水流的压力脉动,实际上可能在K>K_i时就发生空化,也可能在K≤K_i时不发生空化。如何考虑压力脉动的这种影响,尚无完善的方法。目前常用的是附加压降法,即在计算空化数K时考虑一个附加压降P′     

高水头深孔平板门门槽水力特性研究

平板闸门门槽内的水流流态十分复杂,容易因空化空蚀而破坏门槽。以卡基娃水电站放空洞工程为实例,采用水工模型试验探讨门槽附近水流流态、压力、空化数的变化规律。研究结果表明:有压式门后连接段能较好地改善门槽及门后连接段水流的流态;闸门全开时,各个区域没有负压出现,水流发生空化的可能性也较低;闸门局开时,门槽及门后连接段会出现负压,最大负压出现在门槽的底板处,水流发生空化的可能性也较大;水流的脉动表现出明显振幅大、频率低的强紊流脉动压力的特点。研究成果对于高水头深孔闸门门槽的设计具有一定的借鉴意义。     

小浪底孔板消能泄洪洞过流原型观测试验

小浪底水利枢纽的三条孔板消能泄洪洞,是目前世界上采用孔板消能技术的最大的泄洪洞.孔板泄洪洞的实际泄洪效果和安全性,一直是专家关注的焦点.1号孔板消能泄洪洞过流原型观测试验,就长期以来国内外专家十分关注的孔板洞消能效果、水流空化、脉动水流诱发衬砌结构及围岩的振动、中闸室出口水流的掺气及空腔负压、闸门开启过程的流激振动以及孔板环、衬砌结构应力等进行了现场测试.从压力系数和消能系数分布看,原型观测结果与模型试验结果吻合较好,验证了模型试验成果的相似性.     

台阶式溢流坝消力池压强特性试验研究

为研究台阶式溢流坝不设反弧段连接时消力池底板压强特性,结合某水库实际工程,采用物理模型试验方法,对台阶式溢流坝消力池底板时均压强、脉动压强强度和峰值等压强特性进行了研究。结果表明,消力池底板时均压强均为正值;在滑行水流和过渡水流时,时均压强在水流冲击区出现一个较大值,最大为0.926kPa,下游反弹区形成极小值;在跌落水流时,时均压强沿程变化较小,且随流量的增加而增大;脉动压强强度和峰值沿程变化规律基本一致,总体上随流量的增加而增大,最大值出现在水流冲击区,脉动压强最大为1.198kPa,随后沿下游方向逐渐减小,并趋于稳定;台阶尺寸对消力池底板时均压强和脉动压强影响不大;消力池内脉动优势频率为0.01~4 Hz,属低频振动,不会危害泄水建筑物的安全。研究成果可为台阶式溢流坝消力池的优化设计提供参考。     

脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响

本文对六种不平整突体在正负压力梯度状况下的初生空化数进行了试验研究和理论分析，并根据气泡动力学方程建立了脉动压力与气泡振荡半径之间的关系，讨论了脉动压力及压力梯度对不平整突体空化初生的影响，试验结果表明，同一突体在负压力梯度状况下的初生空化数高于正压力梯度状况下的初生空化数；对于非流线型突体，在负压力梯度状况下空化初生时的壁面脉动压力强度低于正压力梯度状况下的脉动压力强度，脉动压力峰值约为七至十二倍的脉动压力均方根值。     

突扩式跌坎消力池脉动压强特性

基于模型试验结果,研究突扩式跌坎消力池底板脉动压强特性,分析突扩式跌坎消力池及非突扩跌坎消力池底板脉动压强的幅值特性、相关特性和频谱特性。分析结果表明：突扩式和非突扩跌坎消力池底板脉动压强最大值均出现在池首位置,且呈沿程衰减趋势;突扩式跌坎消力池能显著降低底板的脉动压强水平,突扩比1.3时最大值降低了63%,突扩比1.6时最大值降低了42%;突扩式和非突扩跌坎消力池底板脉动压强概率密度基本符合正态分布;在冲击区,突扩式跌坎消力池底板脉动压强空间积分尺度较非突扩式有显著降低,即其消力池内涡旋保持性有所降低;与非突扩式相比,突扩式跌坎消力池底板冲击区脉动压强优势频率向高频移动     

船闸突扩廊道体型的水力特性

本文提出了船闸输水阀门后的几种突扩廊道体型,推导了考虑阀门前均速断面至阀门后收缩断面之间能量损失的廊道压力计算公式,以及阐明了突扩廊道体型对阀门后廊道压力的影响。还讨论了输水阀门后水流收缩断面处影响收缩系数的主要因素,并应用流动显示的新方法——萤光微丝法实测了收缩系数。用YCW-500-A微型传感器与HP5451C富里叶分析仪等组成的测试系统,实测和分析比较了突扩廊道体型和直段廊道体型的水流压力脉动。最后分析了突扩廊道体型的水流空化特性。     

孔板泄洪洞脉动压力特性浅析

通过量测多级孔板泄洪洞点脉动压力的沿程分布，论证了脉动压力振幅概率分布的正态性和最大振幅取值范围。由于最大脉动压力可达孔口流速水头１．２倍，最大脉动压力强度系数高达３０％，因此在研究孔板洞空化问题时必须考虑脉动压力。     

碧口排沙洞增建孔板消能现场试验研究

在泄洪洞内设多级孔板消能是一种新型消能型式。鉴于国内外尚缺乏这类型式消能的实际工程经验,决定选择碧口水电站排沙洞增建孔板进行现场消能试验,通过试验取得了有关孔板消能效果、水流脉动、孔板及其围岩的诱发振动、空化特性等大量数据,与相应的模型试验和理论计算对比,说明利用多级孔板在洞内消能技术上是可行的,为多泥沙河流上修建高水头泄水建筑物开辟了新的消能途径。     

掺气对流场压强的影响

在空化区水流中沿固体边界掺气是水利工程中常用的减蚀措施。虽然这一方法已获得较多的应用,且在很多情况下能取得满意的效果,但研究表明,并非任何情况下掺气都是有利的。初步看来,掺气的作用主要有以下几个方面:1.影响水流本身压强,理论和实验都表明,水流低压区掺气后其压强明显提高(本文将分析这个问题)。2.影响水     

圆孔格栅对井式消能水力特性的影响研究

消力井井深和井径大小直接影响下泄水流的消能效果和尾水渠水流流态,井内增加格栅可有效改善消力井水力特性。通过水工模型试验,研究圆孔格栅(开孔率40%)在不同高程位置,对消力井底板水力特性的影响。在此基础上,运用数学方法对底板时均动水压强以及脉动压强标准差σ值、变异系数Cv值进行量化分析,得出结论:相同流量情况下,格栅高程为0.40m时,消力井底板的动水压强明显降低;格栅高程降低至0.30m时,消力井底板的动水压强仍然呈下降趋势,但降幅减小;格栅高程进一步降低至0.20m时,消力井底板的动水压强未见明显变化。     

高海拔地区气压环境对高速水流空化特性的影响

为定量评价高海拔地区的低气压环境对水流空化特性的影响程度,通过理论计算单气核临界压强在不同气压条件下的变化,分析单气核临界压强变化对初生空化数的影响程度,并进行不同海拔高程下水流空化数的敏感性分析。研究成果表明:低气压环境下,气核初生空化数和水流空化数均减小,但水流空化数减小的程度远远大于初生空化数减小的程度,其他条件相同的前提下,高海拔地区的高速水流空化空蚀风险增大。研究结论可为高海拔地区高速水流的空化空蚀设计和评价提供参考。