三峡导流底孔超标准运用下空化特性试验.docx
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三峡导流底孔超标准运用下空化特性试验
三峡导流底孔超标准运用下空化特性试验
摘要:
三峡水利枢纽泄洪坝段共设22个导流底孔,采用长有压管与明流段出口相结合的形式。
经模型试验表明,在库水位140~165m范围,底孔有压段存在初生态空化,明流段存在初生阶段及其以下强度的空化。
根据类似工程经验,这些部位不会发生空蚀破坏,抬高水头运用不会危及建筑物安全。
但考虑到三峡工程的重要性,可在运用前对相应底孔挑流鼻坎作局部抗蚀处理。
关键词:
三峡工程导流底孔;气体型空化;蒸汽型空化;水流空化数;初生空化数
中图分类号:
TV551.1+3 文献标志码:
B
1 前言
三峡水利枢纽泄洪坝段共设置22个导流底孔,主要任务除承担三期导截流期泄洪外,还需配合深孔满足度汛及围堰挡水发电期的泄洪要求。
导流底孔按135m库水位设计,140m库水位校核,体型均采用长有压管与明流段出口相结合的形式。
中部16孔(4#~19#)的体型与左右两侧各3孔(1#~3#、20#~22#)的体型有别:
中部16孔体型的明流段出口采用挑角10°的反弧挑流鼻坎形式,两侧孔进口底板高程上抬1.00m.并且体型的明流段出口分别采用挑角17。
(2#、3#及20#、21#孔)和25°(1#及22#孔)的反弧挑流鼻坎形式。
2003年6月,三峡水库蓄水至135m水位,导流底孔通过原型安全监测及汛后抽干排水检查,未发现损坏情况,导流底孔运用正常。
根据三峡工程建设计划,导流底孔于2005年汛后部分封堵,2006年度汛仍采用围堰挡水,枢纽不承担防洪任务,采用敞泄方式运用,库水位低于140m。
但考虑到汛期洪水的不确定性,如遭遇超标准洪水,或下游防洪需要三峡枢纽拦蓄洪水,采用坝体挡水时,库水位将超过140m,未封堵的导流底孔面临高水位下运用的风险。
另外,为尽早发挥三峡工程的效益,结合三峡工程建设的实际进展情况,中国长江三峡工程开发总公司提出了2006年汛后蓄水至156m进度目标。
导流底孔在超过原设计标准的高水位下运用,孔内高速水流的水力特性如何,体型是否会发生空蚀破坏,事关三峡枢纽工程运行安全。
为此,受三峡总公司委托,长江科学院开展了三峡工程导流底孔抬高水头运用(常)减压模型试验研究[1]。
本文所介绍的试验研究成果,就是以该(常)减压模型试验资料为基础,分析导流底孔可能空化部位的空化特性,确定危害性空化的初生部位及初生空化数,判断分析导流底孔体型的抗空化安全性,为导流底孔超设计标准运用的可行性论证提供科学依据。
2 模型设计
本(常)减压模型取中部4#~19#孔体型的单个完整导流底孔制作模型,所选导流底孔的体型见图1。
模型按重力相似准则(即佛汝德准则)设计,长度比尺Lr=40。
模型全部采用有机玻璃制作而成,有机玻璃表面糙率系数np=0.008,按糙率比尺nr=Lr1/6计,相当于原型糙度np=0.0148。
此值介于钢摸板混凝土壁面糙率(O.013~0.016)范围内。
以压力长管段出口断面(6×8.5m2)为参考,在试验范围内模型水流雷诺数(Re)达到106量级。
综合上述两项指标,可认为原、模型水流阻力基本相似,满足水流空化模拟试验要求。
减压试验模拟空化水流,除满足常规水力学模型试验应满足的重力相似、阻力相似外,还必须满足空化相似准则,即原型与模型水流空化数相等(σp=σm)。
3 试验条件与研究方法
试验共选取6级库水位进行时均压力量测和水下噪声的监测,库水位分别为140m、145m、150m、156m、160m及165m。
此外,根据整体模型试验[2]提供的资料成果,试验还选取了表1所示的水位控制条件(H下趾为对应库水位工况下的下游水位最低值),测试明流段底板各测点的时均压力,并比较分析了这四种试验条件下挑流鼻坎处的空化特性。
导流底孔在实际运行中,明流段出口为淹没出流,但明流段均能维持一定范围的急流流态,故在一定上游水位条件下,导流底孔出口淹没度的改变不影响压力长管段水力特性[3]。
因此,在底孔压力段一般水力特性试验中,控制下游水位,使出口处表层漩滚水流不超过反弧段即可。
对于压力长管段体型的空化问题研究,则采取控制下游水位,使出口水流呈完全自由挑流的方法,以避免高速淹没出流形成的强剪切空化噪声信号,影响压力长管段诸部位水下噪声信号的监测与分析。
对于挑流鼻坎本身的空化问题,则采用实际出口淹没条件下测试分析其水流空化数、自由挑流条件确定其初生空化数的方法进行分析与判断。
目前国内外研究和判断空化水流的方法多种多样,但理论上较为成熟、被广泛应用的是水下噪声量测分析法。
因为水中空泡的形成、发育、溃灭和回弹全过程的各处阶段均伴随着与一般水流流动噪声不同声辐射,这可视为空化发展不同阶段的判据[4]。
根据空化噪声谱级在不同频段的声能贡献,还可判别空化的类型。
蒸汽型空化噪声谱级具有高频分布特性,声能贡献可延伸至80~100kHz以上频段,而气体型空化的声能贡献主要局限在60~80kHz以下频段。
根据空化噪声的随机特性,同时又考虑到声传递过程中的复杂影响因素以及试验设备固有频率属性影响,采用监测到的水下噪声统计平均后的功率谱级差法来进行空化问题的判断分析。
声谱级差值△SPL,=SPLf-SPLo其中SPLf为空化相似条件下的总噪声谱级,SPLo为参考背景条件下的噪声谱级(该条件下经检测无空化发生)。
据以往经验[5],当△SPL≈5dB时,可视为空化初生;当△SPL处于5~10dB时,为空化初生阶段;当△SPL>10dB时,为空化发展阶段。
4 试验成果分析
4.1 压力特性
为了量测导流底孔体型的时均压力分布规律,模型共安装了84个测压点,分别位于压力长管段底部、侧部和顶部中心线上,以及明流段底板中心线上。
试验结果表明:
各级库水位工况下,压力管顶部、底部中心沿程及明流段底部中心沿程压力分布规律正常,无不良压力特性,但进口侧曲线起点附近区域存在一定的压力跌落和逆压梯度,压力特性欠佳。
其中明流段底部中心沿程时均压力的量测,是在三种不同下游水位工况下进行的,165m库水位工况时下游不同淹没度对明流段底板中心沿程时均压力的影响见图2。
结果表明:
随淹没水深的增加,淹没影响区测点的压力有不同程度增大,压力值的增高从明流段出口至上游依次变弱,鼻坎末端附近压力明显提高(由完全自由挑流变化至明流段水跃跃首距压力孔口9.00m位置时,88#测点的压力值从-1.13×9.81kPa升至14.59×9.81kPa),有利于减免该部位空化。
4.2 水下噪声及体型空化特性
减压试验对导流底孔进口顶曲线、进口侧曲线、事故门槽区、事故门井下游壁与孔顶板相交的圆角区、压力段出口顶部压板转折处及出口挑流鼻坎末端等六个部位进行了水下噪声的监测(水听器布置见图1)。
试验结果表明:
在六级特征库水位工况下,门槽区都有初生态的蒸汽型空化(80~200kHz频段内,△SPL≈4~6dB),并且水下噪声谱级图的谱形和最大谱级差值基本一致(见图3,谱级图上“1”线为相似真空度下声谱级SPLf,“2”线为参考背景真空度下声谱级SPLo),说明在试验库水位范围,工作水头的升高对门槽区的空化强度的影响不大。
考虑到门槽下游侧棱及其后斜坡段压力特性尚可,空化信号可能来自主流与扩散水流的剪切层内。
就上述空化的量级及空化类型和发生空化的部位,门槽区产生空蚀破坏的可能性不大。
此外,在H上=165m工况下,压力段出口顶部压板转折处也有初生态的蒸汽型空化(80~200kHz频段内,△SPLmax≈5dB),从空化强度的大小分析,该处尚不致发生空蚀破坏;有压段其它监测部位在试验库水位范围下无空化发生。
出口挑流鼻坎末端在135m~165m库水位范围,发生空化强度接近发展阶段的蒸汽型空化(△SPLmax≈10dB),但考虑到该部位实际运行时为淹没状态,水流空化数会明显提高,因此该部位是否会发生空蚀破坏需进一步研究分析。
4.3 水流空化数
影响水流中空化产生与发展的主要变量有流动边界形状、绝对压强和流速等;此外,水流粘性、边壁表面条件和所受的压力梯度等也有一定的影响[6]。
其中最基本的量为压强与流速,一般以这两个变量为基础来建立标志空化特性的参数,称为水流空化数σ。
其中ha为大气压;ho为参考点的压力;hv为水的饱和蒸汽压力;v为参考断面平均流速(或参考点流速)。
本次试验中,计算水流空化数时,大气压取标准大气压ha=10.332m水柱;水的饱和蒸汽压力hv取三峡库区常年平均水温20℃水的汽化压力值0.238m水柱;门槽区水流空化数的参考点压力ho,取压力长管事故门槽上游断面前侧墙中部40#测点所测压力值;v取事故门槽上游断面(A=6×12m3)的水流平均流速。
由
(1)式计算三峡导流底孔在库水位H上=140~165m范围内的门槽区水流空化数σ值见表2。
结果表明:
随水头的升高,水流空化数呈减小趋势,但变化不大(变幅不足5%),故各级特征库水位下,门槽区的空化特性应基本一致,这与得到的门槽区水下噪声谱级图的谱形和最大谱级差值基本一致的试验成果相符。
此外,按
(1)式计算出口挑流鼻坎末端在H上=140~165m范围(出口为自由挑流)的局部水流空化数σ88#(见表3),
结果表明:
在库水位140~165m范围内,出口自由挑流条件下,挑流鼻坎水流空化数为0.20~0.14;实际淹没条件下。
其水流空化数为0.38~0.19。
表明该部位水流空化数随库水位的变化明显,实际淹没条件下的水流空化数明显高于自由挑流条件下的水流空化数。
4.4 初生空化数
为进一步验证导流底孔在超设计标准条件下运用的安全性,在库水位165m条件下通过降低和升高水流空化数的方法,分别测试分析了导流底孔有压段和明流段的初生空化数。
库水位165m下通过降低空化数运行,测试了不同空化数下有压段各监测部位的水下空化噪声。
试验成果表明:
导流底孔有压段首先发生蒸汽型空化初生的部位为门槽区。
将门槽区水下噪声谱级差最大值与水流空化数的关系绘制于图4。
由图知门槽区的初生空化数σi≈1.92。
此外根据水下噪声谱级图其它部位依次接收到初生态的蒸汽型空化信号的顺序为进口侧缘曲线段、压力段出口顶板压坡转折区和门井下游壁与孔顶板相交的圆角区、进口顶缘曲线段,相应的初生空化数分别为1.77、1.70和1.68。
为了验证鼻坎处空化强度与水流空化数的关系,在165m库水位条件下(出口自由挑流)通过增大水流空化数的方法,求得不同水流空化数条件下鼻坎处的空化强度。
鼻坎处水下噪声谱级差最大值与相应的水流空化数关系见图5。
试验成果表明:
出口挑流鼻坎末端产生初生态空化时水流空化数约为0.30。
导流底孔在整体模型试验提供的最低下游水位H下趾=57.37m(H上=165m)工况下运行时,鼻坎处水流空化数σ=0.194(见表3)。
由图5知,出口挑流鼻坎处会产生△SPLmax,≈7~8dB的初生阶段空化。
此外,根据H下趾与测压点88#压力值之间的关系可知,导流底孔在H上=140~165m范围内运行,当H下趾超过64m时,出口挑流鼻坎末端的空化强度都可降到初生态以下。
5结语与建议
(1)通过试验研究分析知,导流底孔压力长管段蒸汽型空化初生的部位为门槽区,初生空化数σi≈1.92(相应库水位140m)。
在六级特征库水位下,门槽区水下噪声谱级图的谱形和最大谱级差值基本一致,说明在试验库水位范围,工作水头的升高对门槽区的空化强度的影响不大;在H上=165m工况下,压力段出口顶部压板转折处有初生态的蒸汽型空化;有压段其它监测部位在试验库水位范围下无空化发生。
(2)出口挑流鼻坎末端产生初生态空化时水流空化数约为0.30。
当H上=165m,H下趾=57.37m(整体模型试验提供的H下趾最低值)时,挑流鼻坎末端空化处初生阶段。
导流底孔在H上=140~165m范围内运行,当H下趾超过64m时,出口挑流鼻坎末端的空化强度都可降到初生态以下。
(3)综上所述,在库水位140~165m范围,导流底孔的有压段存在初生态空化,明流段存在初生阶段及其以下强度的空化,根据类似工程经验,这些部位应当不会发生空蚀破坏。
因此从导流底孔体型的空化空蚀特性看,抬高水头运用不会危及建筑物的安全。
但考虑到三峡工程的重要性,若需将导流底孔抬高水头运用,可在运用前对相应底孔挑流鼻坎作局部抗蚀处理。
参考文献
[1] 姜伯乐等.三峡工程导流底孔抬高水头运用(常)减压模型试验报告.武汉:
长江科学院.2004年10月.
[2] 陈辉等.三峡工程2006年汛后蓄水至156m导流底孔部分封堵1/100整体模型试验研究报告.武汉:
长江科学院.2004年10月.
[3] 郭均立等.三峡工程导流底孔(常)减压模型试验报告(长管体型).武汉:
长江科学院.1996年7月.
[4] 黄继汤.空化与空蚀的原理与应用.北京:
清华大学出版社.1991年2月.
[5] 于宪池.三峡工程深孔空化问题研究.武汉:
长江科学院.1993年1月.
(特约编辑:
侯全光)
收稿日期:
2008-03-10
作者简介:
姜伯乐,长江水利委员会。
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