CN113297657B - 多级孔板内消能工的防空化设计方法 - Google Patents

多级孔板内消能工的防空化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多级孔板内消能工的防空化设计方法，该方法包括确定n级孔板泄洪洞中各级孔板模型中的初生空化数对各级孔板的模型初生空化数进行缩尺效应修正，得到各级孔板的原型初生空化数根据原型初生空化数设计修改多级孔板的体型尺寸。本申请提供的上述方案，通过对减压模型试验测定的初生空化数进行缩尺效应修正得到原型初生空化数以经修后的原型初生空化数作为判断多级孔板内消能工水流是否发生空化的依据，可以更加准确地预估多级孔板泄洪洞的水流空化状态；以原型初生空化数作为孔板内消能工泄洪洞体型设计时限制水流发生空化的控制条件，从而为多级孔板泄洪洞安全运行和孔板内消能工体型的合理设计提供了技术支撑。

Description

多级孔板内消能工的防空化设计方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程泄洪消能技术领域，特别是涉及一种多级孔板内消能工的防空化设计方法。
背景技术
内消能工是一种适用于深窄峡谷河道水电工程的消能方式，具有高落差、大流量的孔板式内消能泄洪洞是在压力隧洞内设置环状孔板(或洞塞)，突然减小过流断面，利用水流在孔板附近的突然收缩及孔板后形成压力淹没射流以实现能量消耗，是一种封闭式的压力内消能工。这种压力内消能工具有结构体型简单，水流流态稳定，通过变化孔板体型尺寸可以调控其消能效果的特点。
对于高水头的泄洪洞采取在压力隧洞段合理地设置多级孔板连续消能的方式可以有效减小洞内压力，控制洞内水流流速，降低洞内高速水流可能引起的空蚀、冲刷及磨损等破坏风险。若利用多级孔板内消能工将施工导流隧洞改建为永久泄洪洞，还可以节省大量工程投资，解决峡谷河道水电工程枢纽布置空间不足的难题。洪水能量在水流经多级孔板的工程中逐级消耗，从而避免将水流所携带的巨大能量传递至下游，缓解下游泄洪消能的难度。这样的泄洪消能方式对改善大坝下游水流流态，减轻泄洪水流对下游河道的冲刷及泄洪雾化，维护河床和岸坡稳定，减轻对周边环境的影响都有积极的作用。
现有的多级孔板的设计主要是根据消能效果和过流能力进行体型确定，并根据减压模型试验测定多级孔板洞的空化特性并评估和控制原型孔板的水流空化状态。但是由于孔板的水流空化存在严重的缩尺效应，其减压模型确定的初生空化数可能与原型初生空化数之间存在较大的偏差，不能真实反映原型孔板的空化状态，导致对原型水流空化程度估计不足使得在实际运行过程中发生比较严重的空化水流，影响多级孔板泄洪洞的安全运行。因此，在设计多级孔板内消能工的时候，不能忽略模型的缩尺效应对孔板初生空化数的影响。
发明内容
基于此，有必要针对现有的模型空化特性测量结果与原型并不完全一致的问题，提供一种多级孔板内消能工的防空化设计方法。
本发明提供了一种多级孔板内消能工的防空化设计方法，该方法包括：
确定n级孔板泄洪洞中各级孔板模型中的初生空化数其中，式中，/>为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时其孔板前0.5D处洞顶时均压力，g为重力加速度，p’a/γ为减压箱内的环境大气压力，p’v/γ为试验水体的饱和蒸汽压力，VMi为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时模型水流流经第i级孔板孔口断面的平均流速；
对各级孔板的模型初生空化数进行缩尺效应修正，得到各级孔板的原型初生空化数/>其中，/>式中，Lr为模型与原型的比例；k1为反映模型尺度影响的系数；βi为第i级孔板的孔径比；k2为反映速度影响的系数；VPi为原型水流流过第i级孔板孔口断面的平均流速；
根据原型初生空化数设计修改多级孔板的体型尺寸。
在其中一个实施例中，所述k1＝0.052(VMi/VMimax)-2，式中，VMimax为减压模型试验流经第i级孔板孔口断面的最大平均流速。
在其中一个实施例中，所述k2为反映速度影响的无量纲系数，对于带消涡环的锐缘孔板，所述k2的取值范围为0.036～0.039。
在其中一个实施例中，在得到各级孔板的原型初生空化数之后，该方法还包括：
计算n级孔板泄洪洞中各级孔板的水流空化数σi，其中，式中，pi/γ为第i级孔板前0.5D处洞顶时均压力，pa/γ为大气压力，pv/γ为原型水体的饱和蒸汽压力，Vd为水流流经第i级孔板孔口断面的平均流速；
比较各级孔板的原型初生空化数和水流空化数σi的大小，判断水流的空化状态。
在其中一个实施例中，所述判断水流的空化状态包括：当各级孔板的水流空化数σi均大于相应孔板的原型初生空化数时，即/>时，则多级孔板泄洪洞内不会发生空化水流，满足设计要求；
当各级孔板的水流空化数σi均小于或等于相应孔板的原型初生空化数时，即时，则各级孔板均会发生空化水流。
在其中一个实施例中，当时，该方法还包括：缩小多级孔板泄洪洞压力洞段出口的断面面积A0，降低洞内水流流速，增大洞内压力和各级孔板的水流空化数，使得各级孔板的水流空化数σi大于其修改体型后的原型初生空化数/>
在其中一个实施例中，所述判断水流的空化状态还包括：当其中一级孔板或部分孔板的水流空化数σi小于其相应孔板的原型初生空化数时，则可维持多级孔板泄洪洞压力洞段出口的断面面积A0不变，优化各级孔板体型结构和布置结构，使得各级孔板的水流空化数σi满足大于其修改体型后原型的初生空化数/>的要求，即对于各级孔板，均成立；
当孔板体型尺寸经优化调整后出现各级孔板的水流空化数σi均小于其修改体型后的原型初生空化数即/>则缩小压力洞段出口断面面积A0，使得满足条件
在其中一个实施例中，所述其中，CPi为压力系数，g为重力加速度，VD为隧洞的断面平均流速，Zi为第i级孔板前0.5D处的洞顶高程，Z0为孔板压力洞段出口的底部高程，h0为压力洞段出口的孔口高度。
在其中一个实施例中，所述式中，D为泄洪洞洞径，A0为出口断面面积，αi为i-i断面的能量修正系数，/>为第i级孔板到出口之间各级孔板的阻力系数之和，n为孔板的级数，/>为出口段的阻力系数。
在其中一个实施例中，相邻两级孔板中前一级孔板的水流空化数大于后一级孔板的水流空化数，且相邻两级孔板的水流空化数满足如下关系:式中，/> 为与孔板体型有关的系数，/>为第i级孔板的阻力系数，σi+1为第i+1级孔板的水流空化数，Zi+1为第i+1级孔板前0.5D处的洞顶高程，βi+1为第i+1级孔板的孔径比。
本发明的有益效果包括：
本发明针对孔板的初生空化数，提供了一套反映模型尺度和流速大小的缩尺效应影响的修正计算方法，通过对减压模型测定的初生空化数进行缩尺效应修正得到原型初生空化数/>以经修后的原型初生空化数/>作为依据，可以更加准确地预估多级孔板泄洪洞的水流空化状态；以原型初生空化数/>作为判别孔板内消能工水流空化状态的控制条件进行多级孔板泄洪洞的体型设计，可以避免多级孔板泄洪洞运行中发生有害空化水流，从而为多级孔板泄洪洞安全运行和孔板内消能工体型的合理设计提供了技术支撑。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的多级孔板内消能工的防空化设计方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
孔板内消能工的水流空化是设计中需要解决的关键水力学问题之一，严重的空化水流不仅会直接造成结构物的空蚀破坏，而且将加剧水流脉动增大动水荷载，威胁孔板泄洪洞的安全。准确预测多级孔板内消能工的水流空化状态是妥善解决多级孔板泄洪洞水流空化问题的前提条件。孔板内消能工属于非流线体型，其模型缩尺效应对孔板初生空化数的影响显著，减压模型试验测定的初生空化数与原型初生空化数之间可能存在较大偏差，试验结果不经适当修正应用于原型可能导致对原型水流空化程度的估计不足而埋下安全隐患。
如图1所示，本发明一实施例中，提供了一种多级孔板内消能工的防空化设计方法，该方法包括：
步骤110：确定n级孔板泄洪洞中各级孔板模型中的初生空化数其中，式中，/>为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时其孔板前0.5D处洞顶时均压力，g为重力加速度，p’a/γ为减压箱内的环境大气压力，p’v/γ为试验水体的饱和蒸汽压力，VMi为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时模型水流流经第i级孔板孔口断面的平均流速；
步骤120：对各级孔板的模型初生空化数进行缩尺效应修正，得到各级孔板的原型初生空化数/>其中，/>式中，Lr为模型与原型的比例；k1为反映模型尺度影响的系数；βi为第i级孔板的孔径比；k2为反映速度影响的系数；VPi为原型水流流过第i级孔板孔口断面的平均流速；
步骤130：比较各级孔板的原型初生空化数与水流空化数的大小，判断多级孔板的水流空化状态及体型的合理性；
步骤140：以各级孔板的原型初生空化数作为防止水流空化的控制条件，修改设计多级孔板的体型尺寸。
本发明针对孔板的初生空化数，提供了一套反映模型尺度和流速大小的缩尺效应影响的修正计算方法，通过对减压模型测定的初生空化数进行缩尺效应修正得到原型初生空化数/>以经修后的原型初生空化数/>作为依据，可以更加准确地预估多级孔板泄洪洞的水流空化状态；以原型初生空化数/>作为判断孔板内消能工水流空化状态的控制条件进行泄洪洞的体型设计，可以避免多级孔板泄洪洞运行中发生有害空化水流，从而为多级孔板泄洪洞安全运行和孔板内消能工体型的合理设计提供了技术支撑。
在一些实施例中，本申请中的k1＝0.052(VMi/VMimax)-2，式中，VMimax为减压模型试验流经第i级孔板孔口断面的最大平均流速。
本申请中的减压模型试验：为保证模型试验时的水流空化数与原型的水流空化数相等，在进行模型试验时需要将环境气压按照水流空化数相等的相似要求降低到大气压以下，通常会将环境气压降到仅有大气压的2％～5％，几近于真空状态。为了达到这个目标，需要将相关的模型放一个箱体里，即减压箱，进行试验，在试验时将减压箱内的气压降低到所需的气压进行试验。
在一些实施例中，本申请中的k2为反映水流速度影响的无量纲系数，对于带消涡环的锐缘孔板，k2的取值范围为0.036～0.039。
在一些实施例中，本申请在得到各级孔板的原型初生空化数之后，该方法还包括：
计算n级孔板泄洪洞中各级孔板的水流空化数σi，水流空化数是在相似真空度下实际测试计算得到的水流空化数；初生空化数是水流发生初生空化时对应的水流空化数，其实质上为一阈值。当水流空化数大于初生空化数时，水流不发生空化；当水流空化数小于初生空化数时，水流发生空化；
其中，式中，pi/γ为第i级孔板前0.5D处洞顶时均压力，pa/γ为大气压力，pv/γ为原型水体的饱和蒸汽压力，Vd为水流流经第i级孔板孔口断面的平均流速；
比较各级孔板的原型初生空化数和水流空化数σi的大小，判断水流的空化状态。
进一步地，上述判断水流的空化状态包括：当各级孔板的水流空化数σi均大于相应孔板的原型初生空化数时，即/>时，则多级孔板泄洪洞内不会发生空化水流，满足设计要求；
当各级孔板的水流空化数σi均小于或等于相应孔板的原型初生空化数时，即时，则各级孔板均会发生空化水流。
在一些实施例中，当时，该方法还包括：缩小多级孔板泄洪洞压力洞段出口的断面面积A0，降低洞内水流流速，增大洞内压力和各级孔板的水流空化数，使得各级孔板的水流空化数σi大于其修改体型后的原型初生空化数/>
在一些实施例中，本申请中的判断水流的空化状态还包括：当其中一级孔板或部分孔板的水流空化数σi小于其相应孔板的原型初生空化数时，则维持多级孔板泄洪洞压力洞段出口的断面面积A0不变，优化各级孔板体型结构和布置结构，使得各级孔板的水流空化数σi满足大于其修改体型的原型初生空化数/>的要求，即对于各级孔板，/>均成立。倘若孔板体型尺寸经优化调整后出现各级孔板的水流空化数σi均小于其修改体型的原型初生空化数/>的情况，即/>则应适当缩小压力洞段出口断面面积A0，使得满足条件/>
在一些实施例中，本申请中的其中，CPi为压力系数，g为重力加速度，VD为隧洞的断面平均流速，Zi为第i级孔板前0.5D处的洞顶高程，Z0为孔板压力洞段出口的底部高程，h0为孔板压力洞段出口控制断面的孔口高度。
在一些实施例中，本申请中的式中，D为泄洪洞洞径，A0为出口断面面积，αi为i-i断面的能量修正系数，/>为第i级孔板到出口之间各级孔板的阻力系数之和，n为孔板的级数，/>为出口段的阻力系数。
在一些实施例中，本申请中相邻两级孔板中前一级孔板的水流空化数大于后一级孔板的水流空化数，且相邻两级孔板的水流空化数满足如下关系:式中，/> 为与孔板体型有关的系数，/>为第i级孔板的阻力系数，σi+1为第i+1级孔板的水流空化数，Zi+1为第i+1级孔板前0.5D处的洞顶高程，βi+1为第i+1级孔板的孔径比。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种多级孔板内消能工的防空化设计方法，其特征在于，该方法包括：
确定n级孔板泄洪洞中各级孔板模型中的初生空化数其中，式中，/>为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时其孔板前0.5D处洞顶时均压力，g为重力加速度，p’a/γ为减压箱内的环境大气压力，p’v/γ为试验水体的饱和蒸汽压力，VMi为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时模型水流流经第i级孔板孔口断面的平均流速；
对各级孔板的模型初生空化数进行缩尺效应修正，得到各级孔板的原型初生空化数其中，/>式中，Lr为模型与原型的比例，k1为反映模型尺度影响的系数，βi为第i级孔板的孔径比，k2为反映速度影响的系数，VPi为原型水流流过第i级孔板孔口断面的平均流速；
根据原型初生空化数设计修改多级孔板的体型尺寸；
计算n级孔板泄洪洞中各级孔板的水流空化数σi，其中，式中，pi/γ为第i级孔板前0.5D处洞顶时均压力，pa/γ为大气压力，pv/γ为原型水体的饱和蒸汽压力，Vd为水流流经第i级孔板孔口断面的平均流速；
相邻两级孔板中前一级孔板的水流空化数大于后一级孔板的水流空化数，且相邻两级孔板的水流空化数满足如下关系:式中， 为与孔板体型有关的系数，/>为第i级孔板的阻力系数，σi+1为第i+1级孔板的水流空化数，Zi+1为第i+1级孔板前0.5D处的洞顶高程，βi+1为第i+1级孔板的孔径比；
比较各级孔板的原型初生空化数和水流空化数σi的大小，判断水流的空化状态；
当各级孔板的水流空化数σi均大于相应孔板的原型初生空化数时，即/>时，则多级孔板泄洪洞内不会发生空化水流，满足设计要求；
当各级孔板的水流空化数σi均小于或等于相应孔板的原型初生空化数时，即时，则各级孔板均会发生空化水流，此时，缩小多级孔板泄洪洞压力洞段出口的断面面积A0，降低洞内水流流速，增大洞内压力和各级孔板的水流空化数，使得各级孔板的水流空化数σi大于其修改体型后的原型初生空化数/>
当其中一级孔板或部分孔板的水流空化数σi小于其相应孔板的原型初生空化数时，则维持多级孔板泄洪洞压力洞段出口的断面面积A0不变，优化各级孔板体型结构和布置结构，使得各级孔板的水流空化数σi满足大于其修改体型后的原型初生空化数/>的要求，即对于各级孔板，/>均成立。
2.根据权利要求1所述的多级孔板内消能工的防空化设计方法，其特征在于，所述k1＝0.052(VMi/VMimax)-2，式中，VMimax为减压模型试验流经第i级孔板孔口断面的最大平均流速。
3.根据权利要求1所述的多级孔板内消能工的防空化设计方法，其特征在于，所述k2为反映速度影响的无量纲系数，对于带有消涡环的锐缘孔板，所述k2的取值范围为0.036～0.039。
4.根据权利要求1所述的多级孔板内消能工的防空化设计方法，其特征在于，所述其中，CPi为压力系数，g为重力加速度，VD为隧洞的断面平均流速，Zi为第i级孔板前0.5D处的洞顶高程，Z0为孔板压力洞段出口的底部高程，h0为压力洞段出口的孔口高度。
5.根据权利要求4所述的多级孔板内消能工的防空化设计方法，其特征在于，所述式中，D为泄洪洞洞径，A0为出口断面面积，αi为i-i断面的能量修正系数，/>为第i级孔板到出口之间各级孔板的阻力系数之和，n为孔板的级数，为出口段的阻力系数。
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CN107748823A (zh) * 2017-11-01 2018-03-02 浙江海洋大学 一种平头孔板初生空化数确定方法

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