旋流式豎井泄洪洞空化特性試驗(yàn)研究

 1 工程概況
兩河口豎井泄洪洞利用后期導(dǎo)流洞改建而成，長(zhǎng)度為1103.61m，進(jìn)口底高程2840.00m，出口起挑點(diǎn)高程2625.0m，校核水位為2870.34m，最大泄流能力1200m3/s。
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)得知，在豎井內(nèi)的水流空化數(shù)較小，存在發(fā)生空化的可能，為了確保工程設(shè)計(jì)安全度，故進(jìn)行減壓試驗(yàn)。
2 減壓模型設(shè)計(jì)
本文所用水工模型制作按照重力相似原則進(jìn)行制作，結(jié)合四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室減壓箱實(shí)際情況，確定比尺為1：50。其物理量相應(yīng)比尺如下表所示：
本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞑牧先坎捎糜袡C(jī)玻璃，以便對(duì)豎井空腔段的水流流態(tài)進(jìn)行觀察。本次試驗(yàn)希望探求到旋流式豎井泄洪洞整體的空化特性，其水聽(tīng)器布置見(jiàn)表2：
本次減壓試驗(yàn)設(shè)備減壓箱位于四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，減壓箱尺寸為長(zhǎng)20m，寬1m。下游箱體高2.8m（下游箱體底板起算），上游箱體高4m，進(jìn)水塔頂部高出上游箱體頂部1.2m。最大流量Qmax≈0.75m3/s，最大相對(duì)真空度可達(dá)到98%。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35kHz～130kHz。噪聲能量曲線通過(guò)噪聲頻譜曲線計(jì)算而得。
3 減壓試驗(yàn)結(jié)果
由于本次試驗(yàn)僅僅控制上游水頭即校核水位，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)記錄此時(shí)的水溫，然后逐漸改變減壓箱中的真空度，用噪聲測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)的檢測(cè)、記錄豎井內(nèi)部水流在此情況下的噪聲頻率曲線，在記錄保存數(shù)據(jù)之后，再利用頻譜特性法和頻譜能量積分法對(duì)整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行研究。
以下就是本次實(shí)驗(yàn)1#～4#水聽(tīng)器在校核水位其來(lái)流量Q=1200m3/s下的監(jiān)測(cè)所得到不同相似真空度下的噪聲頻率曲線及相對(duì)能量曲線，此時(shí)減壓箱中水溫通過(guò)監(jiān)測(cè)為14.56℃。在噪聲頻率曲線圖中，紅線為背景噪聲的頻率曲線，其余的線則是在不同的相對(duì)相似真空度條件下的頻率曲線，其中100%相似真空度是與原型空化相似的頻率曲線（根據(jù)原型工程資料計(jì)算得到空化相似條件下的減壓箱中控制壓強(qiáng)為3.73kPa）。
首先在上述各噪聲頻譜圖里，在相似真空度70.86%和75.84%兩個(gè)情況下，其噪聲頻率曲線在35kHz～160kHz區(qū)間段內(nèi)基本吻合，因此我們可以以70.86%作為背景噪聲（空化沒(méi)有發(fā)生時(shí)的噪聲）。
由于在判斷發(fā)生空化的標(biāo)準(zhǔn)，是在35kHz～160kHz區(qū)間段的聲壓級(jí)差超過(guò)了5dB或者相對(duì)能量大于2。而在上面的一系列噪聲頻率曲線圖中我們可以發(fā)現(xiàn)圖1及圖2兩噪聲頻率曲線圖（1號(hào)水聽(tīng)器和2號(hào)水聽(tīng)器測(cè)點(diǎn)）所得到以下信息：①1#及2#水聽(tīng)器所得到的噪聲頻率曲線在相似真空度88.84%、95.12%及100.22%情況下其噪聲聲壓在頻率35kHz～160kHz區(qū)間段較背景噪聲聲壓大5dB左右；②當(dāng)η/ηm=100%時(shí)，對(duì)1#水聽(tīng)器的噪聲曲線積分所得到的相對(duì)能量E/E0=2.21>2。所以我們可以認(rèn)為該兩個(gè)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)聽(tīng)的區(qū)域發(fā)生了空化現(xiàn)象，而通過(guò)3#、4#水聽(tīng)器所探測(cè)到的數(shù)據(jù)我們可以認(rèn)為在各測(cè)點(diǎn)附近無(wú)空化現(xiàn)象發(fā)生。
4 試驗(yàn)結(jié)果分析
為了探求1號(hào)測(cè)點(diǎn)發(fā)生空化的原因，在常壓環(huán)境中測(cè)得其在校核水位來(lái)流量Q=1200m3/s條件下上游引水道末端沿程水深h=7.74m，而根據(jù)弗勞德數(shù)Fr計(jì)算公式：
Fr=V/■（1）
式中：V—斷面水流平均流速（m/s）；h—斷面水深（m）；g—重力加速度（m/s2）。
通過(guò)公式（1）計(jì)算可得知在校核水位下引水道末端的弗勞德數(shù)Fr=2.51>2，此時(shí)在引水道末端的負(fù)壓可降至到水的汽化壓力。這也就解釋了在此處為何會(huì)有空化現(xiàn)象的發(fā)生。而2號(hào)水聽(tīng)器測(cè)點(diǎn)位于錐形段進(jìn)口可能發(fā)生空化現(xiàn)象的原因比較復(fù)雜，本文認(rèn)為此處若發(fā)生空化現(xiàn)象主要是由于過(guò)流邊界發(fā)生突變，導(dǎo)致流線會(huì)發(fā)生分離，從而形成漩渦在附近產(chǎn)生局部低壓區(qū)。至于其他二個(gè)水聽(tīng)器所處的區(qū)域則由于在豎井之中的摻氣較充分，會(huì)在一定程度上降低空化發(fā)生的可能性。