旋流式竖井泄洪洞空化特性试验研究

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摘要： 本文根据两河口水电站竖井泄洪洞减压模型试验资料，对旋流式竖井泄洪洞空化特性进行了研究分析，表明涡室进口和锥形上端是空化发生区，空化发生的原因是由于负压和边界条件的突变，而锥形下端和环状水跃处不会发生空化，是由于在旋流竖井内掺气较为充分。

Abstract： Based on the test data of flood discharge tunnel pressure relief model of Lianghekou hydropower station， the paper analyzes the cavitation characteristics of swirling shaft spillway tunnel. The result confirms cavitation always occurs at volute chamber entrance and top conical vortex chamber. It is caused by negative pressure and abrupt change of boundary condition. Abrupt change does not occur at lower part of taper and circular hydraulic jump area， as the aeration in the swirl shaft is more fully.

关键词： 竖井泄洪洞；空化；减压模型

Key words： shaft spillway tunnel；cavitation；reduced pressure model

中图分类号：TV651.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）35-0057-02

1 工程概况

两河口竖井泄洪洞利用后期导流洞改建而成，长度为1103.61m，进口底高程2840.00m，出口起挑点高程2625.0m，校核水位为2870.34m，最大泄流能力1200m3/s。

根据工程经验得知，在竖井内的水流空化数较小，存在发生空化的可能，为了确保工程设计安全度，故进行减压试验。

2 减压模型设计

本文所用水工模型制作按照重力相似原则进行制作，结合四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室减压箱实际情况，确定比尺为1：50。其物理量相应比尺如下表所示：

本次试验模型制作材料全部采用有机玻璃，以便对竖井空腔段的水流流态进行观察。本次试验希望探求到旋流式竖井泄洪洞整体的空化特性，其水听器布置见表2：

本次减压试验设备减压箱位于四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，减压箱尺寸为长20m，宽1m。下游箱体高2.8m（下游箱体底板起算），上游箱体高4m，进水塔顶部高出上游箱体顶部1.2m。最大流量Qmax≈0.75m3/s，最大相对真空度可达到98%。噪声频谱曲线采用100次采样曲线的历史平均值，分析区间35kHz～130kHz。噪声能量曲线通过噪声频谱曲线计算而得。

3 减压试验结果

由于本次试验仅仅控制上游水头即校核水位，实验开始时记录此时的水温，然后逐渐改变减压箱中的真空度，用噪声测试系统实时的检测、记录竖井内部水流在此情况下的噪声频率曲线，在记录保存数据之后，再利用频谱特性法和频谱能量积分法对整个试验进行研究。

以下就是本次实验1#～4#水听器在校核水位其来流量Q=1200m3/s下的监测所得到不同相似真空度下的噪声频率曲线及相对能量曲线，此时减压箱中水温通过监测为14.56℃。在噪声频率曲线图中，红线为背景噪声的频率曲线，其余的线则是在不同的相对相似真空度条件下的频率曲线，其中100%相似真空度是与原型空化相似的频率曲线（根据原型工程资料计算得到空化相似条件下的减压箱中控制压强为3.73kPa）。

首先在上述各噪声频谱图里，在相似真空度70.86%和75.84%两个情况下，其噪声频率曲线在35kHz～160kHz区间段内基本吻合，因此我们可以以70.86%作为背景噪声（空化没有发生时的噪声）。

由于在判断发生空化的标准，是在35kHz～160kHz区间段的声压级差超过了5dB或者相对能量大于2。而在上面的一系列噪声频率曲线图中我们可以发现图1及图2两噪声频率曲线图（1号水听器和2号水听器测点）所得到以下信息：①1#及2#水听器所得到的噪声频率曲线在相似真空度88.84%、95.12%及100.22%情况下其噪声声压在频率35kHz～160kHz区间段较背景噪声声压大5dB左右；②当η/ηm=100%时，对1#水听器的噪声曲线积分所得到的相对能量E/E0=2.21>2。所以我们可以认为该两个测点所监听的区域发生了空化现象，而通过3#、4#水听器所探测到的数据我们可以认为在各测点附近无空化现象发生。

4 试验结果分析

为了探求1号测点发生空化的原因，在常压环境中测得其在校核水位来流量Q=1200m3/s条件下上游引水道末端沿程水深h=7.74m，而根据弗劳德数Fr计算公式：

Fr=V/■（1）

式中：V—断面水流平均流速（m/s）；h—断面水深（m）；g—重力加速度（m/s2）。

通过公式（1）计算可得知在校核水位下引水道末端的弗劳德数Fr=2.51>2，此时在引水道末端的负压可降至到水的汽化压力。这也就解释了在此处为何会有空化现象的发生。而2号水听器测点位于锥形段进口可能发生空化现象的原因比较复杂，本文认为此处若发生空化现象主要是由于过流边界发生突变，导致流线会发生分离，从而形成漩涡在附近产生局部低压区。至于其他二个水听器所处的区域则由于在竖井之中的掺气较充分，会在一定程度上降低空化发生的可能性。

参考文献：

[1]陈椿庭.水工水力学及水文论文集[M].水力电力出版社，1993.

[2]吴持恭.水力学[M].高等教育出版社，2003.

[3]许唯临，张建民，刘善均，邓军，王韦，田忠.水利水电工程多级消能技术[Z].国家科技成果.