溢洪道空化数计算方法研究pdf

　　第一章绪论 3 限在所控制的构件表面上的空穴或空穴的线形尺寸或平面尺寸。空穴的产生一般随着相 位的变化，相位变化的表现除脉动压强标准值增大和突变外，还有脉动压强谱的变形、脉 动波形的对称性和紧贴边界水流导电能力的变化等特征。依靠这些综合指标判断空穴， 更为可靠。 (3)声学法。声测是探测水流是否发生空化的一种灵敏有效的方法。近年来，随着声 测技术和计算技术的发展，声测法发展的也较快。声测法不仅可以定性观测，也可以定量 观测，且又不扰动水流，可远距离观测，可实时判断空化是否发生及发展程度，从未来发展 上看还可以利用声成像技术直接观测水流的空化现象【6】。 1．2．2溢洪道空蚀的观测方法 (1)人工凸体法。在已建泄水建筑物上观测空蚀现象，埋设观测设备有一定困难时， 可在过水表面浇筑不平整实体，或预制人工凸体在过水表面上，人为地制造产生空化或空 蚀的条件。当高速水流流过凸体，其空穴指数小到一定程度时，凸体的下游就要产生空穴 和空蚀破坏，其相应的水力学指标由直接观测得出。此法用于已建工程观测空蚀，比较简 单可行。布拉茨克水电站溢流坝上，曾采用此法观测取得较为系统的成果。 (2)空蚀指示器。这是一种采用在钢管和混凝土中放置传感器的方法。施测时，受检 测的过流表面如果发生空蚀破坏，当其破坏到一定深度时，电路自动切断此时自动记录器 就把短路的时刻记录在纸带上，此法的优点是在泄水建筑物的运行过程中，可随时掌握空 蚀破坏的情况，而无需停水检查。前苏联布赫塔尔明水电站建筑物曾用过这种仪器。 (3)空蚀破坏调查。泄洪过后，应对建筑物空蚀破坏部位，破坏范围，包括边界性形状尺 寸、破坏面积大小、深度等进行测量拍照，以便采取修补措施和作为分析问题的基本资料。 对于较大范围的空蚀，用一般经纬仪或摄影经纬仪测量，对于小范围的空蚀，宜用拓模方法 量测【”。 1．23模型试验的方法 在空化与空蚀的原型水力观测中，无论采用那种观测方法，都必须详细记录相应的库 水位，闸门开度、流量、流速、压强和各项水力指标并连同空蚀情况，及时加以整理分析 给出以下各项：①典型实体形状尺寸与最小压力系数Cpmill的关系；②空蚀强度与空化 强度、流速的关系；③边界层的流速资料。而这几项系数的给出则必须由模型试验研究 的方法得出【81。因此室内的试验研究方法对空化和空蚀的研究也很重要。空化从初生、 发展直至溃灭，其物理过程既复杂又迅速。为了能在模型中重演空化现象，研究其发生的 部位及有关数据，需要有专用试验设备，空化试验常用的设备有减压箱、循环水洞及其他 设备。一般为通过试验找出试验物体的初生空化数，并认为当水流空化数大于试验物体的 空化数，可避免由于空化水流引起的空蚀破坏。初生空化数的确定方法有直接法和间接 法。直接法是指外观明显的阵发性初生小空泡可由仪器直接测定：间接法则是当水流沿固 体不发生分离时可用最小压力系数Cp曲来确定oi【9】。当认为局部压力Pm蛔=P，为空 4 溢洪道空化数计算方法研究 化初生条件，则有oi-一Cp劬。 1．2．4溢洪道空化的数值模拟 目前对空化的数模，多借助紊流模型文献【111，分析水流中的低压部位，若其小于某 一约定值，则认为空化，如此模拟只能定性判别空化发生，。不能定量模拟空化过程，故 空化过程中的空穴溃灭过程是个复杂过程，目前多用Raylei曲空泡溃灭模型。 1．3水力空化力学方面研究进展 1．3．1空穴溃灭 在解释空蚀的起因时，以往的分析和试验都是针对单泡而作的。空泡是用电火花发 生器激发而成．这种单纯由热效应产生的气泡，其溃灭过程与流体动力降低所产生的 空泡是有区别的， 同时这些试验都是在静止流体中进行的．V觚derMeulen利用 Lauterhom光致空化的原理，用红宝石激光脉冲在水中聚焦产生等离子体形成的气泡考 察流动条件下空泡溃灭的过程．他的结果证实流速对壁面附近的气泡溃灭影响不大，但 流速对附壁室泡的外形畸变有影响，进而使溃灭过程所产生的射流方向明显改变)气泡 趋近壁而的距离仍是影响溃灭特征的最重要参数．在首次溃灭的瞬间，气泡出现向壁面 的射流和离壁面的反射流，然后当气泡回弹时在出现第2次溃灭的瞬间才形成冲击壁面 的强射流和离壁的反射流． 对这种反射流尚未作理论分析． 然而这是一个很直观的论 证．从泡群溃灭的分析工作看，Morch和Cl讪ine是沿不同途径走的两个代表．在CIT 的研究中， 着重于小振幅溃灭与空化噪声特征的联系． 泡群溃灭具有更大的破坏性， 是由于先溃灭的泡把能量传递至邻近内豁溃灭的泡，引起能量叠加作用．这样的泡群溃 灭压力决定其空蚀的能力，它取决于溃灭波的厚度、泡径与泡群尺度的比值及泡群的空 隙比．Morch的分析把溃灭波分成平面和球面形式，首先认为泡群是均布的等半径原始 泡集团， 溃灭区上升的压力向静止的泡群传播， 中间隔着一层溃灭波． 如果知道空 泡对加压的动态响应，就能计算这1层溃灭波的厚度．压力扰动前进的速度即为液体声 速．当该扰动压力传递至内部泡群时立即衰减，因此空泡的响应仅局限于紧邻的泡群， 如同气体激波中所用的方法．若泡群自由边界为球面，方程以球坐标系表达， 则与平 面溃灭波作相似处理，估算结果表明半球泡群溃灭压力要比柱状泡群高10倍右．Cbabine 的分析是通过奇异摄动法现的， 然后作数值计算．他假定整个泡群的尺度与流场特征 尺度相比是小量， 因此对泡群可写出基本方程．在考虑泡群中的单个泡的动力学特征 时， 假定泡径与泡间距离相比是小量，泡与周疆流体间无相对运动，这样在1级近似中 每个泡的局部压力是球对弥变化的，就像孤立泡那样．高阶近似中才考虑泡间相互作用 所引起的运动和变形． 因此他的结果只能适合于泡群空隙比很小的情况．由于泡径与 泡间特征距离是不同量级的尺度，因而把问题分成两部分：当参考尺度是泡间距离的量 级时，可把问题视作“外部问题处理， 用以描述泡群的宏观现象，这时把各个泡作 第一章绪论 5 为奇点处理}当参考尺度与泡的特征尺度相当时，则可视为“内部问题”，其解可适用于 某个单河的邻近． 在解内部问题时，把其他所有泡视作位于无穷远，只有应用与外部 问题相匹配的条件时，才考虑其他泡的存在．于是，对内部问题说在无穷远的边界条件 可从物理上找出来，不过在各级近似中要用到单泡邻近的外部解的渐近特性。由于假定 定．最后的数值计算结果表明， 随着泡群中泡的数目增加，泡群溃l灭后期更为激烈， 压力增高．H啪g考虑了液体的可压缩性，他的计算结果证实泡群溃灭时的压力脉冲幅 值增高很多．当然，泡群的非线性溃灭是很复杂的问题，需要在今后作更多的分析和试 验研究，以明确泡群中泡与泡之间的糟互作用． 1．3．2空蚀率与空化强度关系 在工程实用中，最感兴趣的是能预估各种空蚀部件的寿命，困此很多研究者都朝这 个方向努力．要实现这个想法至少要确立3个关系．首先是空蚀率随速度变化规律，其 次是空化强度随速度变化规律， 意到这个问题．他们各自用2元水洞试验去探索规律．Lush研究结果是空蚀率随速度7～ 9次幂上升，这与经典的6次幂规律相接近，空化强度用声级表示，则随速变7_8次幂上升， 同时也确定两者关系。Ji在转盘试验结果中以声脉冲数乘其幅值平方的积表示空化强度， 找出随速度8次幂而上升的规律，这与hIsh的水洞试验结果非常．一致，也找出了估算空 Meulen认为噪声是整体空化域中各种空化所作出的贡献，而空 蚀阻抗的公式。v姐der 蚀则是很局部的现象，空化溃灭时发光是局部现象，因此测定发光强度是表征空化强度 的理想参数。他用氙气充入水洞的水中，在黑晴环境中用光电管记录光强度，试验结果 表明发光强度随速度的6．5次幂而上升，但是不同的空化类型这个幂次数挛化很离散，相 反倒证实用噪声反映空化强度对空化类型的依赖莲很弱．Ye和勋t0用铟片试验技术在 水洞中试验得出空蚀率随速度5次幂增加规律， 当空化强度用声压级表达时也有类似 的规律． 从以上结果分析看，眼下要定量预估空蚀为时尚早， 不但不同的流动系统有不同 规律，而且不同的空化类型也有不同规律． 因而在这方面仍然要作更详细的作．Steller 指出空化强度应指空化特征量，泡群溃灭所产生的能量流碰由脉冲过程的持续时间决 定，在不变的声阻抗介质中，用压力信号的平均功率谱表示是可行的，材料收到的能量 密度也可相应决定。他认为实物的空蚀率与模型的空蚀率之比与实物材料与模型材料的 收到能量密度之比是一致的，因此只要测定不同材料所收到的能量密度，就能用模型试 验结果预估实物的空蚀率。这是作了一系列假定后得到的规律，目前正在作大量的试验 加以验证。 1．3．3减轻空蚀的新途径 空蚀过程与很多因素有关，因此减轻空蚀的途径也是多方面的。当然，合理设计各 6 溢洪道空化数计算方法研究 种部件以避免在空化工况下运转，这是最有效的，但其他还有很多措施可供工业实用选 择。 Steller总结了保护涂层、掺气、阴极保护及加添加剂等方法的试验结果．有些在国 铝的空 汽缸套空蚀。S衄在液体中加入500ppm的长链聚台物后，在相同试验条件下， 倍下降，空蚀的外貌也有明显变化．K锄iy锄a等垂直于振动方向加上磁通量密度为0．6 特斯拉的磁场后碳钢的空蚀有所减轻，试件表面空蚀区沿磁场方向拉长，可能是受到 Lorentz力的作用所致。Ji曾指出某些材料在腐蚀环境中充空气反而加速空蚀，充入惰性 化剂能在材料表面产生胺膜，这层膜具有排水性，因而保护材料表面不受或少受腐蚀影 响，同时这些物质被吸附在气液交界面上时，对两相流的结构和交界面的相互作用产生 浓度为2ppm时，保护效果最好，试验时间越长，保护效果也越持久．因此空蚀也易受到 控制．近年来应用化学方法减轻空蚀日趋普遍． 1．3．4研究前景展望 空蚀研究已经历漫长历史， 积累了很多资料， 然而这个问题并未了解得十分透 彻．从单泡溃灭来分析空蚀成园的工作己很完善，但与现实情况差别很大．从泡群溃灭 的分析尚处在定性阶段，由于数学处理十分复杂，不得不引入很多假定，未能完全反映 物理本质，同时因试验工作极端困难而使数值计算结果无法验证．因此，这方面仍有大 量工作可做．其次从预估空蚀率角度考虑，在单相非腐蚀介质中，今天仍无定量规律， 因此今后应对空化区的结构与空蚀率关系作细致研究， 以便找出不同空化类型的空化 强度与空蚀率的关系．根据现有的资料，某些材料在腐蚀介质中的空蚀率要比在非腐蚀 介质中的高数倍，因此即使有完善的空蚀率与空化强度关系也无法正确预报腐蚀介质中 的空蚀率．这样，研究腐蚀介质中空蚀机理仍十分必要，在基础研究中可从物理化学的 基本方程组出发．在浩瀚的空蚀研究文献太海中，只有少数几篇文章涉及腐蚀介质中空 蚀问题， 然而实际问题中却有举足轻重的影响．可以看出这是个跨学科的问题，因此 为彻底解决现实的空蚀J习题，组织跨学科研究显得很有必要．空蚀研究的重竖手段烛 对树料响应作出判断，然而这种判断是通过各种试验设备试验确定的． 由于设备参数 和功能原理千差万别，结果也就很不一致，因此选定一批标准材料， 作全球范围内的 巡回试验，分析各种参数的影响及内在联系，对判断材料响应可能是非常有效的一条研 究捷径． 第一章绪论 7 1．4本文的研究目的 本文主要以溢洪道渥奇面段为例计算该流段的主要水力要素如压力，流速等，进而 计算空化参数，提出一套方法，使空化研究更趋于量化。该水力要素的计算也可通过紊 流模型来计算，本文建立了一套计算空化影响因素的数学模型，并经过试验验证，可以 在实际中应甩。空化数能够反映空化特性，但有时需要和初生空化数对照来体现实际意 义，本研究提出了两种代表凸体引发空化的的初生空化数计算公式，并经过试验资料的 验证。 8 溢洪道空化数计算方法研究 参考文献 [2]高秋生对液体空化机理的进一步探讨[J]河海大学学报，1999，27(5)：63—67． 【3]左东启．模型试验的理论和方法[M]．北京：水利电力出版社，1983． [4]吴持恭．水力学[M]．北京：高等教育出版社，2000。 [5]华东水利学院．模型试验量测技术[M]．北京：水利电力出版社，1983． [6]李根生，沈小明，施立德等．空化和空蚀机理及其影响因素[J]．石油大学学报(自然科学 版)，1997，(1)：99—104． 一 [7]松辽水利委员会、长江流域规划办公室、长江科学院．水力学原型观测[M]．北京：水利水电出版 社，1985． M．Ha币saldch撕es．Cmde．Shock锄dvibration Gm、轷H．1Ib00k 【8】C蛐l H锄db00k【K】，Mc Comp锄y． 1976． studiesofst0册一∞wer [9】Aderson．S．H．Model dropsshafts【R】．st．锄t110巧fallshydraulic labomt0巧． №．35．SeriesB，1961． UniVers时ofMinesota．TecllnicalPaper [10]武君，张晓东，刘学武，等．水力空化及应用[J]，化学工业与工程，2003，(6)：75—79． 【12】ParagR．Goga：ce．CaVitation：锄肌xi“arytechniq眦inwaStewater inEnviro舳ental Re∞arch，2002，(6)：335—358． A reactionwith 【13】P觚ditB，K岫盯PS，Kum盯M s．Impr0Ve hydrod肿iccaVitation【J】．Chemical EngineeringPr099陀ss，1999，(5)：43—50． G，In锄cS，Wei ofattachedtul．bu2lent iIl 【14】W锄g S．Dyrl锄ics caVitatingflo、vS明．P她g陀ss Aerosp如e Science，200l，37(4)：55l一581． A 【15】Kum盯PS，PIlnditB．M0delinghydrodyn锄iccaVitation【J】．chemicm En西necringTectulology， 1999，22(12)：1017—1027． — 660． A J oils：砒ive 【17】P鲫ditB，JoshiB．Hydr甜”锄icofFatIy ofcavitation[J】．ChemicaI Enginee血g Science，1993，48(19)：3440一3442． C CA．DisiIlf．ec廿onw；ater：111erole 【18】Bo廿1a ofpotable J，Bucl【ley ofhyd刚y11amiccaVitation【J】． Waler SuppIy，1994，(13)：21． t删ment w嬲tew确r 【l9】P棚咯R．Gog啦，2002．Cavi枷0n：姐au五Iia叮techniq∞inschemes【J】． AdV锄c懿inEnViⅫ硼即脑I R-eSearch 6(2002)：335—358． K GL．The t0 i11 M，Chahim 【20】KaIumuck u∞ofcaVi诅tionjetSo妯di∞o唱锄iccomp0岫dswatcr【J】． FED(Am．S0c．Mech．EIlg)，1998，45(3)：245 A cav胁ion舔sistedrodamineB 【21】Sival(I吼盯M，P卸ditB．Hyd【r优岍1锄ic de删i∞：A Viable靴呛r蛐ent IntCoIlfonScience锄d tecllIlolo酉cally technique【R】．1k te!chnol9科，2000， NewDelhiIndia． K P锄ditAB．Water 【22】Jyotik disinfecti∞∽oustic锄dhyd咖锄icc驯itation【J】．Bioch锄Eng Jo岫1aJ，2001，(7)：201—212． H JW，H锄mittF 【23】l(11appT，Daily G．Cav蹦∞(1970) FG．CaV胁iona Flow Pitenomena(1980) 【24】Ha衄itt Multipbaye 第一章绪论 9 87 CaVitation 【25】lTTCRep．ofthe Commitc∞(1987) W．eta1．RecentadVancesincavitationresearchat 【26】Lauterbom Sendal GottiogenUniverSit)r．ISC V01．2(1986)：9一15 Meulen ofbubblesinanowne盯a 17血SNHSessio璐 【27】V锄der J【I】．Thec01l印s bc啪da巧．P1．0c V＆Ⅵ(1988)：6l一74 KA．ne clusterS锄dtheir 【28】Morch s仃咖ofcavit)r damagec印abili哆．P110cⅦELSI C锄晰dge Paper No．26(1987) L．CloudcaVitation锄d 【29】ChabiI他G bubble C’E．CeccioSL．Rc∞ntObservatiollsoncaVitation锄dcavitation 【30】B嗽mcn (1989)：67-—78 JB．onthe ofbubble 【3 cluSte体．IWC 1】HuaIlg dyn锄ics Wa)【i(1989)：13一18 P．Studiesofcavtalion 【32】H硼c∞S erosion锄ditsrelationt0 now Sendai。 cavitatingpanems．ISC V01．1(1986)：2l-29 SA．Co玎elationofcaVitationno娩锄demsion．2皿ICC 【33】Fq I．Mech．E．PaperNo．222(1983) P omeadv锄ces A，S ofcaVitationerosion锄dnoisereSearch．ISCSendai 【34】Lush V01．1(1986)：317_一 322 B．I．Fluid 【35】一一，Aagell Eng．106(1984)：347-351 Z cavitation锄dcavi诅tation 【36】Ji erosi伽winldisk．ASCE／． Y．Expe—mentaJinVestig鲥∞0n rotating ASM匣Albuq∞rque(1985)：3l一39 in now．ProcⅦELSI [37】——．Astudy彻caVitati彻damage sluny C锄MdgePaperl、『0．35(1987) MeulerIJHJ．on erosion锄dlumineScencef∞mcavitation0n 【38】V锄der c0玎elating ahydrofoil．ISPC Wuxi(1 986)：261—267 be铆eennoi∞锄dluminescence 【39】——，ne他Iation fh咖cavitationona 149一159 Albuq鹏rque(1985)： on 【40】Okalle A．Experimental咖dies Y，K喇ima relationship impact cavi切tion dete咖or．ISCSendai p陀ssu陀锄d 1．356 monitoringsystemby∞o吣tic V01．1(1986)：35 YP，eta1．oncor陀lationofcaVitation 【4 e∞sion锄dnoiseonafoil∞ction．ISC l】Ye Wuxi(1989) 68～75 a1．CaVitationemsion锄d 0nafoil 【42】K乏Lt0H，et se“伽．ISCNEFS noi∞study AS加巳(1989)：79．88 ler Stel】erJ．0IIlcavitati伽erosion K SI E43】Stel p刚iction．Proc．ⅧEI C踟M电ePaper№．28 (1987) eKJ． Somemeansof of cavitation 【44】Stell erosion．ISCSendalVoI．1 protectionmachine巧楚-暑LirIst (1986)：357--362 additiVese仃ectsoncavitatione∞sion．CMFF 【45】S吼BH．L0ngchai卜polymer 84．～86 a1．E侬蛾ofsurf．ace iIl A，et a Sen血i 【46】Shima rongllIless∞cavitati佣damage polymer∞lution．1SC V01．1(1986)：323·328 a1．Ef钕tS field0n S，et cavitation 【47】陆niy锄a ofma印etic damage．2ad Z t0reducecaVitation Sendai 【48】JiY，Inertg丛iniection demage．ISCV01-1(1986)：363．368 【49卜—-，A Oncayitation study d踟age∞ductionwitIl髟t∞s a1．Con臼1Dlof A，et erosiVe-co鹏sive、ve盯of withmieroad一 【50】Kul(ushl【iIl powergemmting equipment 鲥v鹤ofsur缸taIlts．Proc．ⅧELSI，Paper No．36(1987) a1．Bubble W 【5l】LuL，et collap辩iIls0Iid—liquldt、7吣～pha∞fluid．I、ⅣCu】【i(1989)：19．．23 lO 溢洪道空化数计算方法研究 第二章溢洪道渥奇面空化数计算 影响水力空化的水力要素如上文空化原理所述，无非是压强，流速，紊动量，笔者 认为压强是直接原因，流速是间接原因但是最具影响性的原因，紊动是促进原因。柯乃 普文献认为空化与流速的6次方成正比，足见其影响。研究空化，必须要将相关水力要 素研究透彻，目前对此研究一般从常规水力学推导和数值模拟两个方面进行，但可供直 接应用且精度较高的公式不甚多，数值模拟较为精确但计算过程略繁琐。本章则以研究 空化为目的，以曲底明槽(渥奇面)为例推导了水流中压强和流速的便于工程应用计算 公式，以用来计算空化数。之所以研究渥奇面，因为渥奇面由于离心力作用，为低压强 区，空化较容易发生，研究其具有实际工程意义，且在渐变流中，通过变形渥奇面水力 计算公式中的半径R，如平底R为无穷大，反弧R为对应渥奇的负值，也见其研究的代 表性。 渥奇面为衔接缓坡和陡坡的过渡型曲面水工建筑物，本章根据渥奇面上垂线流速分 布为幂函数的形式，建立起单元水体法向受力平衡的微分方程，并对其进行积分求解， 导出了渥奇面上的压强计算式，并通过试验资料确立了流速分布指数与来流佛汝德数的 线性关系式，最后导出了经验证精度符合工程要求的公式。并对该式在渥奇面上的适用 范围进行了讨论，该公式可用来检验空化发生的可能性，以验证渥奇面体型是否合理， 且对掺气设施的布设有指导意义。 水工建筑物中，渥奇面是用来衔接缓坡和陡坡的过渡建筑物，目的是使底坡变化平顺， 避免不良流态。其纵剖面一般为抛物线形，如泄水建筑物中广泛采用的“龙抬头”段， “龙落尾段(图1)。该段水流作曲线运动，对单元水体而言，其法向压力差与重力分量 构成向心力。若流速太大或运动半径过小，水流沿渥奇面流动需要很大的向心力，很有 可能在渥奇面底部形成负压。负压的出现，是空化产生的必要条件，而空化很可能使水 工建筑物发生空蚀破坏。出现这种情况需要更改设计体型或增设掺气设施以避免空化引 起的空蚀破坏。 鉴于此，笔者推导了渥奇面上的流速和压强计算公式，并经试验确定了其中参数(流 速分布指数m)，得出了具有实际应用意义的公式，以此来计算空化数，可检验渥奇面设 计体型是否合理，且能指导掺气设施的布设。 笔者用来求时均渥奇面水压强的方法是，不考虑脉动，先立出渥奇面上单元水体法 向受力平衡的微分方程，然后根据试验资料得出流速分布公式，再积分运动方程得压力 解。 2．1渥奇面流速分布函数的试验研究 为确定计算所需的渥奇面上流速分布函数，笔者对渥奇面及其上缓坡，其下陡坡段 第二章溢洪道空化数的计算 的特征断面的流速进行了测量，试验在某工程溢洪洞模型上进行(图1)，来流为堰顶自 由出流，这里进行了中，高水位的试验，对应的模型流量分别为260珧和438№。由于 试验流速一般大于3m／s，采用了毕托管测速；水面线量测采用了测针；流量则用量水堰 量测。从试验资料可以看出渥奇面流速分布符合幂函数分布规律，即： 甜刈耖 (1) 式中，U为该断面最大流速，h为断面水深，m为流速分布指数。 指数m的值越往下游越大，见图3～6，且缓坡陡坡也符合此规律，见图7～10。而 佛汝德数越往下游越大，笔者认为m与佛氏数有关系。以下据试验资料给出了m和Fr 的经验公式(图2)。 历=O．0106丹+0．0462 (2) 其中厅2纠√助，订为断面平均流速。 出于严谨考虑，笔者还测量了高水位的流速分布，结果见图5～7，分析后发现m 仍符合式(2)。 图1．溢洪道渥奇面体型图 schenle0fme Figurel．The SpillwayConfiguratiOn 12 溢洪道空化数计算方法研究 O．13 m O．12 0．11 0．1 O．09 O．08 O．07 0．06 O l 2 3 4 5 6 7 Fr8 图2．佛汝德数Fr与m的相关关系 betweenFr粕dm Figure2．The他lationShip 0． 1 ^Ⅲ)Jc聪* O． O8 0． O6 ． O4 0 0． 02 0 O 2 3 4 流速u(m／s) 图3．渥奇面流速分布试验值及幂函数分布拟合(0+390．O米) in fittingofveloc时di嘶butionpower劬cti∞ Fig呲3．The againStexperimen即+390．Om) 第二章溢洪道空化数的计算 13 O．09 30．08 h 聒0．07 长0．06 O．05 O．04 O．03 O．02 O．01 0 0 1 2 3 4 流速u(m／s) 图4．渥奇面流速分布试验值及幂函数分布拟合(0+407．9米) of function Figun磷．11lefittingVeloc时distributi∞i11power againstexperime似0+407．9111) O．1 3 o．09 疼o．08 *O．07 0．06 O．05 O．04 0．03 0．02 0．01 0 O 2 4 5 流速u(Ⅲ／s) 图5．渥奇面流速分布试验值及幂函数分布拟合(0+425．3米) of dis臼训，utionin Figure5．ThefittingVelocity poywer矗mction agaillst experime似O+425．3m) 14 溢洪道空化数计算方法研究 0．1 30．09 杂o．08 长0．07 0．06 0．05 0．04 0．03 O．02 O．0l 0 0 2 3 4 5 流速u(田／s) 图6．渥奇面流速分布试验值及幂函数分布拟合(0+440．9米) of dis研butionin fhnCtion Figu他6．ThefittingVeIocity power againStexperiment(0+440．9m) O．16 38：i2 铋播 O．1 0．09 0．08 O．07 O．06 O．05 0．04 0．03 0．02 0．01 0 0’ 0．5 1 1．5 2 2．5 3 3．5 流速u(m／s) 图7．i=O．002流速分布试验值及幂函数分布拟合(0+192．0米) of Fig眦7．111efiningveloc时di矧buti∞inp0Wer劬cti∞ againstexperime似o+l92．0IIl，i=o肿2) _第二章溢洪道空化数的计算 ^0．12 目 h 0．1 璜 *O．08 O．06 O．04 0．02 0 0 0．5 l 1．5 2 2．5 3 3．5 流速u(m／s) 图8．i=0．002流速分布试验值及幂函数分布拟合(O+312．O米) iIl Figure8．Thefi仳ingofVeloc时distributionpower缸1cti伽 l againstexp矗men“O+32．Om，i=O．002) O● 08 ．^5 0● 07 h聪* 0● O6 0● O5 O● O4 O● O3 O● O2 0● O1 O O 2 3 4 5 6 流速u(m／s) 图9．i=0．667流速分布试验值及幂函数分布拟合(0+470．5米) in Fig吣9．nefittingofveloc时di矧bulionpower劬ction a鲥nstexpe血1e似0+470．5m，i=o．667) 16 溢洪道空化数计算方法研究 O．08 30．07 h 羹o．06 0．05 0．04 0．03 0．02 0．0l O 0 2 4 6 ，8 流速u(皿／s) 图10．i=0．667流速分布试验值及幂函数分布拟合(O+503．8米) lO．The of in mncti∞ Figure finingVeloci够distributionpower against experiment(O+503。8m，i=O．667) 由式(1)，单宽流量q为： g=』『咖=f，uc》脚‘砂=熹 (3) 得： u：垡塑塑 (4) 』}l 有： (5) 办 Ⅳ=竿c扩、厅7 2．2渥奇面压强的计算及验证 2．2．1渥奇面上单元水体法向运动的微分方程及求解 如图11，可得出单位水体法线方向受力平衡的微分方程： 脚专=批+p僦训 (6) 式中：p为压强，u为切向流速，R为曲率半径，一般情况下脚左边分母看作＆式 (6)可化为： ’” (7) 搴：车一船c硎 咖 尺 第二章溢洪道空化数的计算 17 图11．渥奇面水流微元法向受力平衡示意图 Figurell．nleforces 上式对y积分有： 中黜筹(矿1一触co舢c ㈤ 2．2．2渥奇面压强计算公式的导出 据水面压强为大气压，即y=h，p=O代入式(8)可得到积分常数C值，则得p： p=锱阿斛1十鲫s机， ㈩ 可得到y=0时渥奇面底压强： 风一甓等+础cos秒 (10) 值得一提的是水深h，在计算中可通过常规推求水面线的方法确定，即将推求棱柱 体明槽的水面线公式的底坡i或其他与位置有关的几何要素设置为随位置变化的变量来 实现。 2．2．3渥奇面底压强计算公式的验证 本验证试验是在某工程水力学模型的渥奇面上进行，该段衔接了上游底坡i=0．02的 型图见图l，在渥奇面中线上布置了六个测压管，其位置见下表，共进行了四个组次的 试验，实测压力资料与式10的计算值比较见表lq，为减小缩尺影响，压强值按模型值， 18 溢洪道空化数计算方法研究 计算也按模型值进行。 表2．1： 1／s计算压强与实测压强对照表 流量Q=142．79 l／s计算压强与实测压强对照表 表2．2： 流量Q=107．03 l／s计算压强与实测压强对照表 表2．3： 流量Q=76．02 I／s计算压强与实测压强对照表 表2．4： 流量Q=42．73 从计算结果可以看出，绝大部分计算精度在5％以内，说明该式可以较可靠的进行渥 奇面压强计算。但仍有部分流段，尤其是渥奇段进口和出口附近压强计算偏差较大，如 工况2(表2)中下游出口部分计算压力与实测值差16％左右，出现这种情况的主要原 因是该部分衔接陡坡或缓坡，水流在这部分并不完全沿渥奇面切线方向流动，而是由曲 第二章溢洪道空化数的计算 19 线流动转化为直线流动的过渡流动，进口部分亦然，是做直线到曲线不适于计算渥奇面进出口段的压强，从试验中可以得出结论，该公式在进口15％长 度下游，出口15％长度上游之间计算的精度较高。而渥奇面进出口15％部分由于受边 界条件和初始条件的影响，计算结果仅供参考。 2．3空化数计算 流速和压强计算得后，以此为基础，可推求某一特定部位的空化数，目前主要是通 过计算空化数与初生空化数比较实现，在实际计算中采用方法不一，难成标准，第一是 不便比较，第二是有的缺乏依据，本章提出了解决该问题的一种新方法。 23．1目前已有的空化数(空穴数)计算方法及其应用缺陷 常规空化数计算公式如下： 仃：鱼二＆ ∞j2 式中：po和vo为流动系统中某一选定点的绝对压强和流速；pv为某一温度下的饱 和蒸气压；p为液体密度。目前这个公式在实际应用中不便之处有三： (1)到底po和vo取什么部位的值到目前尚未形成定论； (2)计算的空化数还需与初生空化数比较，初生空化数需试验确定，不易求得； (3)计算中水力要素的具体值不便直接求得。 目前这个公式理论缺憾有二： (1)分子表示的压力差不能反映实际，就是不论所求位置是否发生空化，均取一般认 为的空化压强(饱和蒸汽压强)。 (2)流速往往取平均值，没考虑流速梯度影响。 图10空化数理论计算示意图 10．TheschemeofhowcaVitationn啪bcriSdefined锄d Figure calculated 一般计算中的一个误区就是求某处的空化数，p0就取该处的值，vo常取该点所在 20 溢洪道空化数计算方法研究 横断面的平均流速，例如在明渠流中选在渠底易空化处，对于不平整凸体一般选取项部 处的压强值和流速值，但有时也取断面平均流速。 但根据空化数定义，空化数实为一压强降低系数，具体定义为计算点前未受绕动处 (参考点)于该点压强及流速的差值的比值。一般只研究流壁空化，边界的流速为零， 故实际上为压强差与参考点流速平方的比值。这就是说po和vo应取同一位置(参照位 置)的值，更严格地说应该取同空化部位同一条流线上未受扰动处的位置处的值。说明 取断面平均流速不合理，可以说取平均流速只是为了计算方便，为真实反映这一空化参 数，还需考虑流速分布。鉴于此，本章从空化数真实定义出发，提出较合理的空化数计 算理念。 2．3．2空化数(空穴数)计算新方法 总体思路概述如下：流速选取引发空化凸体高度处的流速，一般凸体高度3．5mm， 压强也取同一位置的压强，这样就避免了参考位置不确定而引起的混乱，以此计算空化 数，该空化数可直接用来比较空化发生概率的大小，与初生空化数比较还可用来预测空 化。该初生空化一般由试验得到，本文第四章研究的初生空化规律， 23．3计算实例 依据上述理论，计算某溢洪道(体型见第二章)的缓坡段，渥奇段及反弧段距底5llⅡ11 处的空化数，该工况泄量1445m3／s，闸门全开，以比较哪部分空化几率最大，这里饱和 蒸汽压取20。C的值为0．24m水柱： 表2．5本法与传统方法计算空化数结果对照 据计算结果，反弧段空化数最小，最容易发生空化，本文方法在渥奇面和反弧的空 化数相差甚大，说明反弧的空化特性远不及渥奇面，这可以反映实际情况，实际工程中， 反弧是最容易发生空化的部位之一，许多典型的空蚀实例均在此部位。目前采用的方法 计算的反弧与渥奇面空化数相差不大，不能如实反映其空化特性。 2．4本章结论与讨论 本文应用水流在渥奇面上的法向受力平衡方程，推出了计算渥奇面时均压强的公式， 由于式中流速分布认为是幂函数分布，而指数m为未知量，笔者通过试验确定了m与 第二章溢洪道空化数的计算 2l 来流佛汝德数的关系式，得到了经验证精度符合要求的流速和压强计算式，并基于此结 合凸体特性来计算空化数。 计算渥奇段压强可以检验渥奇面体型设计是否合理，主要是看是否有负压出现，负 压是空化的前提，为防止下游空蚀破坏，此处应当避免负压出现，不过更精确的空化判 断需要用空化数进行，而空化数计算中需要的压强和流速值都可以通过本研究推出的公 式计算，故可通过本研究成果来选择合理渥奇面体型或判断是否需要设掺气设施。但本 章的幂函数流速分布中最大流速在表面的假定若表面掺气严重或宽深比较小时略有偏 差，此时该式也应慎用。 所得式(6)可计算渥奇段流区任一点的压强值。但流区压强量测是目前水力要素量 测的难点之一，传统物理方法测流区水压会破坏流场结构，测得的压强失真，而光电测 压目前也无实用。的方法，故流区压强的计算很难进行试验验证，这是以后研究的一个方 向。 本章实际上采用半经验半理论的方法计算空化参数，以研究空化。压强流速计算得 后，可根据凸体高度处的对应值来计算空化数，使空化研究定量化，这是本文提出的一 种改进的空化数计算方法。． 22 溢洪道空化数计算方法研究 参考文献 1， 1980 清华大学水力学教研组．水力学【M】．1980年修订版．高等教育出版社， 【2】窦国仁．紊流力学【M】．高等教育出版社，1987 【3】章梓雄董其南．粘性流体力学【M】．清华大学出版社．1998 【4】孙东坡，王二平，董志慧等．矩形断面明渠流速分布的研究及应用【J】．水动力学研究与进展． A辑．2004，19(2)：144—15l 【5】惠遇甲，胡春宏．矩形明槽宽深比和边壁糙率对于流速分布和阻力影响的实验研究【J】．水科 学进展．1991，2(1)：22．3l 【6】陈森林等．河道断面流速分布函数研究【J】．水利学报，1994，4：lO一15． V A：Y：ANAL锄dRAONS 【7】SA贴似KN，LAKSHM烈AR L．Velocitydis订ibutioninsmoam 陀ctmgularopench锄els【J】．Proc．ofASCE，J0啪alofHydraulic 270—-289． 第三章数值模拟方法计算溢洪道渥奇面空化数 23 第三章数值模拟方法计算溢洪道渥奇面空化数 数值模拟在水力计算中日益普及，以其计算成本低速度快的优势在水利工程领域逐 渐风靡，笔者在这一章运用紊流模型模拟了渥奇面流场，并通过试验验证，发现该模型 可较精确地模拟渥奇面流场，可用其求得计算空化数所需的水力要素。 本章应用k—e两方程紊流模型，对渥奇面流场进行了模拟，建立了经验证合理的通 用二维数学模型，可较精确计算研究空化所需的水力要素，并结合试验资料，验证其合 理性． 3．1控制方程 考虑该问题为不可压缩水流流动问题，采用标准k～￡紊流模型控制方程为： 连续性方程 ．善：o 动量方程 舞=z一言+毒[cy+屹，(考+薏]] k方程 等=毒[(．，+尝]善]+G：一占 ￡方程 尝=毒时+割詈]+q{q—q。譬 式中t为时间：“f和而分别为速度分量和坐标分量：’，为运动粘性系数：p为修正压力：·厂 』为质量力：M=气力占为紊动粘性系数：方程中的经验常数c产0．09，矿I=1．0，矿， =1．33，o，=1．44，a，=1．42，G为平均速度梯度引起的紊动能产生项 q=偿睁卦 3．2网格划分及求解 本章将计算区域划分为四边形平面结构网格，为获得精确数据观察流场特性，对近壁 区尤其是挑坎段进行局部网格细化。采用有限体积法进行控制方程组离散，自由表面用 二相流VOF法捕捉，速度压力耦合采用PISO算法。欠松弛迭代求解。 为了了解挑坎对渥奇面流场的影响，计算时采用了流速进口边界，压力出口边界。 24 溢洪道空化数计算方法研究 对于挑坎，其背水面为空气压力进口边界。 3．3数学模型的验证与应用 本模型计算对象为某工程泄洪洞明流段的渥奇面，该段上接纵向底坡i=2％的明槽， 型见图1，对应的设计流量均为Q=801．05m3／s。 缓坡段 图1溢洪道渥奇面体型图 1．Theschemeofthe Fjgure SpillwayConfiguration 3．3．1方案1计算结果及与试验结果的比较 (1)水面线计算与实测水面线 surf犯eof Figure2．WaterComputationaIexperimental against 从计算结果可以看出，计算与实测水面线吻合良好，说明用VOF法计算该模型水面 线)流速分布比较 第三章数值模拟方法计算溢洪道渥奇面空化数 25 计算中按流速进口边界控制，理论上越往下游流速的计算误差越大。这里只对出 口处流速分布的计算值与试验值进行了比较，即出口断面的计算流速分布与实测流速分 布，见图3。 3．5 3 日髓耳吾世甘if 2．5 2 1．5 0．5 O O 5 10 15 20 25 35 40 流速m／s 图3出口位置计算与实测流速比较 of Figure3．Vblocities COmputationalagainstexperimental o．oo①+oo 一叫△①+oo ∞．4叫①+oo 们．¨，1∞+oo o．o厶①+oo ∞．6∞①+oo J．0且①+o，1 j．2u∞+oJ J．300+o，l J．们④o+o— j．叫△①+o— ，1．∞jo+o。 心．o∞o+o，l ¨№o①+o一 ¨△∞∞+o，1 ¨ooo+o，l 时叫∞o+o，1 时．9伪o+oj ∞．j¨毋+oJ ∞．∞o①+o一 ∞b叫o+o一 图4计算流速等矢量图(含水面空气流动)单位：rn／s of air F追ure4．VrelocitiesComputationalincluding Unit：m／S 从图3可以看出，出口处流速计算值与实测值基本一致，可见，该模型计算的流速 资料有较高的精度。 溢洪道空化数计算方法研究 3．3．2计算压强与实测压强比较 这里对照了渥奇面上的计算压强与实测压强，结果见图8，可见计算压强与实测压强 较吻合。 i 五50虽O灌OO 450O0 400OO 350O0 3O0OO 20OO 5 2OOO0 150OO 1O0OO 50OO O O+630．000 O+650．000 0+670．000 O+690．000桩号 图5计算压强与实测压强比较 0f be、Veen Figure8．CompaI：ationpressure computatio删andexperimental 3．4计算与实测空化数 表3．1计算空化数与实测空化数对照表 3．5小结 本章应用k～e两方程模型对有掺气设施的渥奇面流场进行了求解，并将模拟结果用 试验资料进行了验证，发现该模型可以较精确的模拟渥奇面过流的流场，说明该模型可 用于计算空化所需的压强和流速，空化数可按上一章的方法计算。 第三章数值模拟方法计算溢洪道渥奇面空化数 27 参考文献 H 【2】杨永森， 60 【3】邓军，许唯临，雷军等．高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模拟【J】．水利学报．2005，36(10)： 1209一1218 【4】沙海飞，吴时强，陈振文．泄洪洞整体三维紊流数值模拟【J】．水科学进展．2006，17(4)： 507_511 【5】杨永森．挑坎掺气槽过流空腔区掺气特性的研究【J】．水动力学研究与进展．A辑．1994，9(1)： 71．77 【6】张立恒，许唯临．掺气减蚀设施空腔回水问题的试验研究【J】．科学技术与工程．2006，6(15)： 【7】刘超，杨永全．泄洪洞反弧末端掺气减蚀研究【J】．水动力学研究与进展．2004，19(3)：375 —-382 【8】夏毓常．通气减蚀设施通气量研究报告【R】．水电部天津勘测设计院，中南勘测设计院，1984． 【9】时启燧，潘水波，邵嫫嫫等．通气减蚀挑坎水力学问题的试验研究【J】．水利学报，1983，14(3)． 【10】窦国仁．紊流力学【M】．高等教育出版社，1987． 【ll】王海云，戴光清，杨永全等．高水头泄水建筑物掺气坎体型研究【J】．水动力学研究与进展．A 辑．2006，21(5)：646- 28 溢洪道空化数计算方法研究 第四章溢洪道两种凸体初生空化数计算 高速水流流经凸体发生边界层分离，并在凸体后产生了分离涡，通过数学分析得知涡 心为压强最低区域，该处最先发生空化，据此理论导出了用边壁压强和凸体高度处流速来 判断空化是否发生的公式，该式通过计算涡心压强直接与对应温度下的饱和蒸汽压强比 较，小于则表示发生空化。并应用实测资料对该公式的参数进行了率定，得出了符合实 际的用来预测由施工不平整凸体引发空化的公式。该式克服了运用空化数预测空化时初 生空化数因对象不同而不同的不稳定性，因而较通用。 4．1问题的提出与研究进展 近年来，许多高坝大库水利工程陆续建成或上马，在推动国民经济发展的同时又对 水利技术提出了更高的要求。所以，对高速水流的研究尤为重要， 高速水流带来的诸 多问题中， 空化空蚀一直是困扰水利工作者的一顽结， 目前在工程技术角度，已对空 化形成了一定的认识，并提出了许多解决空化问题的工程措施如掺气减蚀等， 但在理 论上对空化机理的更进一步的探究尚不完善，笔者则是应用边界层理论对凸体空化成因 ’ 进行了研究。 压力梯度的边界层的情形，发现空化常发生在壁面局部压力大于汽化压力的时候。 所得的资料表明，贯穿边界层的空化出现的最大频率在边界层 Amdt和Ippen(文献5) 中，而不是边壁上。 这种空化发生在边壁压力大于汽化压力且不是发生在贴壁流中， 文献2给出的解释是紊流的脉动压力影响， 此外文献5还指出，分布在粗糙表面的空 化发生在边界层中的大漩涡的中心， 而引起空化的主要作用是紊动，糙率的影响只是 增大了紊动强度，在文献7中， 观察到绕圆盘流动其后发生边界层分离在分离区形成 了漩涡流， 还在涡心观测到了空化， 文献10则是用空泡动力学研究小涡与空化的关 系，采用的是数值方法。文献9中， 指出闸门槽的空化主要由漩涡引起的， 实际上也 就是边界层在门槽区实现

　　2、成为VIP后，下载本文档将扣除1次下载权益。下载后，不支持退款、换文档。如有疑问请联系我们。

　　3、成为VIP后，您将拥有八大权益，权益包括：VIP文档下载权益、阅读免打扰、文档格式转换、高级专利检索、专属身份标志、高级客服、多端互通、版权登记。

　　4、VIP文档为合作方或网友上传，每下载1次， 网站将根据用户上传文档的质量评分、类型等，对文档贡献者给予高额补贴、流量扶持。如果你也想贡献VIP文档。上传文档

　　双5b6，65d-苯基-C_2c62_-丁酸甲酯合成与分离方法的研究.pdf

　　雅思口语考题回顾：朗阁海外考试研究中心2019年10月10日Part 1考题总结.pdf

　　【名师原创】复习专题5 三角函数 作者：合肥市第八中学 蒲荣飞名师工作室.docx

　　江苏省徐州市第一中学、徐市第三中学等五校2026届高三上学期12月月考历史试题含答案.docx

　　2025-2026学年九年级英语期中模拟卷01（考试版）【Unit 1~Unit 7】（人教版）.docx

　　QJ350-12E（闪350皮带款）维修手册2022.12.23.pdf

　　原创力文档创建于2008年，本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接分享给其他用户（可下载、阅读），本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方，若您的权利被侵害，请发链接和相关诉求至 电线) ，上传者