旋流式豎井泄洪洞空化特性試驗研究

 1 工程概況
兩河口豎井泄洪洞利用后期導流洞改建而成，長度為1103.61m，進口底高程2840.00m，出口起挑點高程2625.0m，校核水位為2870.34m，最大泄流能力1200m3/s。
根據工程經驗得知，在豎井內的水流空化數較小，存在發(fā)生空化的可能，為了確保工程設計安全度，故進行減壓試驗。
2 減壓模型設計
本文所用水工模型制作按照重力相似原則進行制作，結合四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室減壓箱實際情況，確定比尺為1：50。其物理量相應比尺如下表所示：
本次試驗模型制作材料全部采用有機玻璃，以便對豎井空腔段的水流流態(tài)進行觀察。本次試驗希望探求到旋流式豎井泄洪洞整體的空化特性，其水聽器布置見表2：
本次減壓試驗設備減壓箱位于四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，減壓箱尺寸為長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，最大相對真空度可達到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。噪聲能量曲線通過噪聲頻譜曲線計算而得。
3 減壓試驗結果
由于本次試驗僅僅控制上游水頭即校核水位，實驗開始時記錄此時的水溫，然后逐漸改變減壓箱中的真空度，用噪聲測試系統(tǒng)實時的檢測、記錄豎井內部水流在此情況下的噪聲頻率曲線，在記錄保存數據之后，再利用頻譜特性法和頻譜能量積分法對整個試驗進行研究。
以下就是本次實驗1#～4#水聽器在校核水位其來流量Q=1200m3/s下的監(jiān)測所得到不同相似真空度下的噪聲頻率曲線及相對能量曲線，此時減壓箱中水溫通過監(jiān)測為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（根據原型工程資料計算得到空化相似條件下的減壓箱中控制壓強為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%兩個情況下，其噪聲頻率曲線在35kHz～160kHz區(qū)間段內基本吻合，因此我們可以以70.86%作為背景噪聲（空化沒有發(fā)生時的噪聲）。
由于在判斷發(fā)生空化的標準，是在35kHz～160kHz區(qū)間段的聲壓級差超過了5dB或者相對能量大于2。而在上面的一系列噪聲頻率曲線圖中我們可以發(fā)現圖1及圖2兩噪聲頻率曲線圖（1號水聽器和2號水聽器測點）所得到以下信息：①1#及2#水聽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η/ηm=100%時，對1#水聽器的噪聲曲線積分所得到的相對能量E/E0=2.21>2。所以我們可以認為該兩個測點所監(jiān)聽的區(qū)域發(fā)生了空化現象，而通過3#、4#水聽器所探測到的數據我們可以認為在各測點附近無空化現象發(fā)生。
4 試驗結果分析
為了探求1號測點發(fā)生空化的原因，在常壓環(huán)境中測得其在校核水位來流量Q=1200m3/s條件下上游引水道末端沿程水深h=7.74m，而根據弗勞德數Fr計算公式：
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）。
通過公式（1）計算可得知在校核水位下引水道末端的弗勞德數Fr=2.51>2，此時在引水道末端的負壓可降至到水的汽化壓力。這也就解釋了在此處為何會有空化現象的發(fā)生。而2號水聽器測點位于錐形段進口可能發(fā)生空化現象的原因比較復雜，本文認為此處若發(fā)生空化現象主要是由于過流邊界發(fā)生突變，導致流線會發(fā)生分離，從而形成漩渦在附近產生局部低壓區(qū)。至于其他二個水聽器所處的區(qū)域則由于在豎井之中的摻氣較充分，會在一定程度上降低空化發(fā)生的可能性。