空蚀区空化水流特性的实验研究

实验研究了空蚀区空泡溃灭特性.实验在浙江工业大学水力学实验室空化水洞中进行,采用高速摄影技术观测了不同掺气体积分数下空蚀段的空化云形态,并量测了空化水流的压力.利用绘制的空化数曲线对空泡溃灭进行了分析处理,得到了空化水流在空蚀段沿程变化的特征.结果表明:在不同的掺气体积分数下,对应于各种不同的空化形态,空蚀段空化水流表现出不同的特点;空化数有一个突然上升的过程,在此过程中空泡大量溃灭.

空化水流相似模拟及空蚀预防的解决途径

空化水流相似模拟的主要目的，是预见水工泄水建筑物等空蚀、空化的危害程度并提早进行有效预防。总结和归纳前人在空蚀空化水流方面的研究理论与实践经验，考虑了原型与模型运动水流中绝对压强的缩尺效应及影响，从气水两相流应遵循的重力相似性运动的物理学原理及外部边界条件出发，再借鉴有关基础学科理论，尝试性地重新定义了合理模型下的空化相似数、空化强度及分类标准，并提出减压模型试验规则，以期用于水工等领域的空蚀空化预测研究。

空化水流与水流空化数的压强差当量表述

引用"物态"与"物像",以及"像"为"态"的"当量"表述等概念,以四个数轴的图形解析方式,比较了三种空化数的压强(差)当量与压应力状态的相对关系。从水流空化状态的客观发展过程和描述各个空化状态的空化数的物理意义出发,分析了各种空化数的数值描述与空化水流状态的不对应性。指出了托马斯空化数等不宜作为水流空化的状态描述及相似性代表的本质。并间接提醒人们,以数学方程式描述客观的自然现象,首先不能超越物理学的基础边界。否则,其推导结论很难与客观的工程实际问题相互对接。

深孔泄洪洞工作(闸)弧门下游水流空化特性分析

深孔泄洪洞工作弧门下游体型及弧门开启方式决定着水流流态的变化,选择不合理有可能引起底板的空蚀破坏。为了明确与此相关的空蚀发生机理及条件,通过水力学模型试验,并结合简单数值模拟计算,对不同体型、不同水头、不同开度条件下的水流空化与空蚀特性进行研究。研究结果表明:受弧门出口射流流场分布影响,弧门下游抛物线及下游陡坡初始段底板压强随着底板以上总水头的增加及弧门开度的减小会快速下降,最大负压接近或超过-14 k Pa,连接闸室与抛物线之间的水平段长度增加5 m,虽然可以使底板压强有一定幅度增加,但高水头、小开度工况下的水流最小空化数仍然比较小,最小值不足0.2;如果以0.2作为抛物线及其上下游段水流初生空化数,同时底板的施工不平整度有所控制,则总水头40 m时弧门最小开度可以达到1/4,若总水头增加至65 m时,弧门只能全开或3/4开度运行,低海拔地区或水平段加长5 m后最小开度可到1/2~3/4。

窄缝式表孔流态及水流空化数研究

高山峡谷高水头泄水建筑物的布置,需要考虑如何减免水流对河道的冲刷、倾砸岸坡及高速水流对建筑物的空化空蚀等问题。本文结合具有上述特点的某电站溢流表孔体型,选用窄缝式挑坎挑流,采用在直线段设置掺气设施的措施,较好地解决了工程问题,并对其流态及水流空化数进行了研究。试验表明,表孔体型设计合理,流态稳定,挑坎段可形成典型的窄缝流流态,并结合水流空化数对表孔的运行条件进行了优化。

空化与空蚀的影响因素及其研究方法分析

论述了空化现象的影响因素及类型。进一步探讨了空化水流及空蚀现象对水工建筑物的危害,并对现有的研究方法进行了分析。

环形狭缝型旋转式水力空化器的空化特性与降解能力

为了开发新型高效的有机污水处理方式,探究新型旋转式水力空化器的空化特性,该研究综合高速摄影技术和压力脉动测试技术对环形狭缝型旋转式水力空化器在不同流量工况下的内部空化特性进行试验研究,并选取亚甲基蓝作为降解试剂,分析该空化器对难降解有机物的降解能力。试验结果表明,空化器内部存在4种空化形式:环形狭缝结构前缘空化、盲孔内空化、盲孔后缘空化以及环形狭缝结构后缘空化,且盲孔内空化和环形狭缝结构后缘空化占据主导;环形狭缝结构后缘空化存在明显的准周期性生长、脱落和溃灭过程,其演变准周期约为1.78 ms,导致蜗壳出口压力脉动离散特征明显;空化器在各流量工况下具有良好的输送性能,且随着流量的增大,经历了初生空化到云状空化的转变,当流量增大至36 m^(3)/h时,空泡团在周向的最大长度约为26 mm,在径向的最大宽度约为14 mm,当流量增大至37.5 m^(3)/h时,狭缝前缘空化沿着周向展开,形成“V”型空化覆盖部分盲孔,空化器内部空化程度明显加剧,蜗壳出口压力脉动主频(叶频)幅值增大,宽频脉动增强;空化器对亚甲基蓝的有效降解存在最佳流量工况和最佳溶液初始浓度,即当流量工况为36 m^(3)/h,溶液初始浓度1.5 mg/L时,在该条件下,空化器对亚甲基蓝的降解能力最强。该研究对于难降解农业有机污水处理具有一定的参考意义。

泄水建筑物若干体型初生空化数的合理取值

在泄水建筑物高速水流防空蚀水力设计中 ,通常用水流空化数与初生空化数对比 ,判别该部位 (或体型 )是否发生空化。关于体型的初生空化数 ,一般应通过减压试验确定 ,而在初步设计优选体型过程中 ,通常就需知其初生空化数。在前人研究成果基础上 ,通过综合分析 ,提出若干体型初生空化数 ,可供当工程不具备进行减压试验情况下 ,设计和科研人员参考。

论船闸输水反弧阀门廊道减蚀防振措施——Ⅱ.空化成因与流态振荡机理探讨

输水反弧阀门廊道的空蚀、门振与声震,是高水头船闸设计需要解决的关键技术问题。本文第1部分分析了急变分离流现象的特点、总结了工程问题与研究设计现状。在本部分,结合对近几年研究成果的总结,分析了水流空化成因与流态振荡机理,为探讨合理的减蚀防振措施提供理论依据。文中分析了旋涡空化、门楣缝隙空化、阀门底缘空化与粗糙壁面空化的特点与成因,强调在设计中应特别重视可能的旋涡型空化,认为小开度的水流振荡属于低频拍动现象,其Strouhal数小于0.025,而大开度发生的旋涡合并与分裂脱落是诱发剧烈流态振荡的根源,其Strouhal数为0.2左右。为探明阀门廊道内复杂的急变分离流现象,应当结合数值计算、模型试验与原型观测方法继续深入研究。

三峡导流底孔超标准运用下空化特性试验

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140～165 m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。

三峡大坝排沙孔原型观测及通气管阀门操作优化研究

三峡大坝排沙孔工作门在高水头条件下启闭,且闸门后为有压流,闸门启闭过程中的水力特性复杂,水流空化等问题一直受到各方关注。研究介绍了三峡大坝排沙孔工作闸门启闭的水力学原型观测成果,三峡大坝设有7个排沙孔、2个冲沙孔和1个排沙洞,以左厂1号、2号排沙孔为监测对象,重点监测了通气孔风速、空气噪声、工作闸门区水下空化噪声。观测结果显示:当闸门处于开高3.8 m以上位置时,通气管被水流充满而不能补气,并开始成为分流通道,而且排沙孔工作闸门后通气管在大开度和全开状态下的分流会造成局部空化和声振的问题。经研究制定了合理的排沙孔工作闸门与通气管阀门适时配合操作原则。经过现场验证,采用该优化操作原则,初步解决了排沙孔工作闸门区的局部空化问题及闸门启闭过程中的声振问题。

台阶式溢洪道掺气特性的试验研究

通过试验研究了台阶式溢洪道上的掺气现象以及掺气区域的划分 ,试验表明 ,台阶式溢洪道沿程掺气可以分为非掺气区、掺气发展区和掺气充分发展区等三个区域 ;断面掺气分为台阶影响的含气区、楔形清水区、水中气泡区和空中水滴区。试验还测量了台阶式溢洪道上的断面掺气浓度及其沿程分布 ,计算了断面含水率 ,提出了初始掺气点的计算方法。与光滑溢洪道相比较 ,台阶式溢洪道具有初始掺气点前移 ,掺气发生早 ,发展快 。

水工模型中绝对压强的缩尺效应

水工模型乃至空化水流相似模拟的主要目的之一，是预见水工泄水建筑物等的空化危害程度，并提早进行有效地预防。本文总结和归纳前人在空化水流方面的研究理论与实践经验，重点分析了原型与模型运动水流中绝对压强的差异对比。从气水两相流应遵循的重力相似性运动的原理及外部边界条件出发，尝试性地提出了符合物理学定义的合理模型假定及相关试验条件。为规范减压模型空化水流相似模拟条件、方法以及空化强度划分标准，提供物理学方面的探讨。

充压伸缩式水封破坏机理及处理措施

充压伸缩式水封在水利枢纽工程高水头泄水孔中应用日益广泛,但由于多种原因,弧形闸门可能会出现漏水,甚至出现水封及连接件破坏现象。某实际工程在第一汛期底水封压板上的M20不锈钢螺栓大部分旋出冲走;增大压板螺栓直径(由M20改为M27)、提高螺栓等级(由A2-70改为10.9级)后,第二汛期螺栓又出现断裂。以该工程为例,采用物理模型试验方法,并结合相关计算,研究了弧形工作闸门底水封附近的水力特性。分析结果表明水封系统破坏机理的主要原因是高速水流引起的负压、空蚀及流激振动诱发的水封系统共振。通过试验方案优化研究,提出了在门槽斜坡跌坎下游布置消力坎的工程措施。试验结果表明:出口段水流条件得到很大改善,水封处负压消失,水流空化数增大,消能减蚀效果明显。此外,还提出将水封压板与座板的弹性连接结构改为刚性连接结构,使得水封系统的固有频率远离水流脉动压力优势频率分布区,避免水封系统共振。研究结果可为类似的弧形工作闸门水封设计和故障处理提供参考。

积石峡水电站中孔泄洪洞工作闸门门槽体形研究

对于闸后为无压明流的平板工作闸门门槽,其水力特性与处在压力段内的事故闸门门槽相差较大。借助于数值计算的帮助,通过对积石峡水电站中孔泄洪洞工作闸门门槽体形试验研究,包括对原设计方案在内的6个方案的水力特性的比较,最后确定第三组修改方案,即加大门槽错距,扩大其下游棱角的弧半径及平缓后接坡度的优化方案,效果是比较好的。

判别泄洪洞反弧段发生空蚀的水力特性标准

搜集了国内外已建工程龙抬头式泄洪洞的运用情况共２２例，对其中一些工程发生空蚀破坏的原因、条件进行了综合分析。提出可以用泄洪洞作用水头、反弧末端平均流速及反弧段水流空化数等３项水力特性的界限值，作为判别龙抬头式泄洪洞反弧段是否会发生空蚀的水力特性标准。

泄洪洞有压出口渐变段及工作闸门室体型优化

针对黄金坪水电站1号泄洪洞原设计方案有压出口渐变段顶板存在负压,在工作闸门小开度运行时工作闸门室底板出现大范围负压,容易引起空蚀等问题,根据水力学模型试验,提出通过增加有压渐变段长度、改变工作闸门室底板连接形式,对有压出口渐变段及闸门室体型进行优化。试验实测结果表明,优化后的有压段出口顶板及闸门室底板在各种运行工况下均没有出现负压,闸门室底板水流空化数显著增加,提高了泄洪洞安全运行的可靠性。

大藤峡船闸关键水力学问题研究

大藤峡船闸闸室有效尺寸为280 m×34 m,最高通航水头为40. 25 m,是世界上首个水头超过40 m的大型超高水头单级船闸。单级船闸的特性以及闸室规模、工作水头和输水时间要求决定了其单次输水水体、输水最大流量以及进入闸室的能量,超过闸室尺度相近的三峡多级船闸,借鉴三峡船闸输水系统体型的初设方案闸室内船舶停泊条件问题突出。为此开展了1∶30比尺船闸整体模型试验,结合减压及局部模型试验与数模计算,通过输水系统体型创新、输水系统阻力及阻力分配调整和阀门运行方式优选,解决了大藤峡船闸闸室内船舶停泊条件及输水系统水流空化等关键水力学问题。研究获得的新型自分流全闸室出水输水系统布置型式,很好地解决了闸室高效输水和船舶停泊安全问题,显著拓展了等惯性输水系统对水头的适应性,其成果可供超高水头大型船闸设计借鉴。

高压闸门水力特性试验研究与应用

结合工程实际对高压闸门水力特性研究与应用进行述评 ;提出高压闸门防止空蚀及振动措施 ;并对窄缝门槽水流流态及脉动压力作试验研究 。