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孔板消能

2020-04-09 21:01

在泄流洞内设置孔板,利用水流流经孔板时的突然扩散形成分离型漩涡,通过强烈紊动等作用进行消能的一种突扩式消能形式(见图)。

孔板过流区剖面示意图

(a)流动图;(b)压强(p0)沿程变化;(c)断面平均流速()沿程变化

来流在孔板上游突然收缩,流经孔板锐缘后继续收缩,在孔板后0.3~0.5D(D为管径)处出现最小收缩断面并形成流速较高的射流,此后,射流突然扩散,直至管道的全断面。射流边缘与管壁间形成回流区,在主流与回流区的交界面上具有较大流速梯度,不断有多种尺度的漩涡产生,这些漩涡激烈掺混、紊动、碰撞形成高紊动(因为它们比由壁面粗糙所衍生的紊动大得多)流区。在高紊动流区内,除能量损耗巨大外,流速、压力都在不断脉动,致使脉动荷载增大,可能诱发洞身及围岩振动。由于瞬间压强降低,也增加了空化的可能。流速的脉动会增加水流对壁面的磨损。回流区的边缘和末端也在不断摆动。当单级孔板不能满足设计需要时,还可采用多级孔板消能的方式。孔板消能是一种较新的消能工,诸多问题还有待进一步研究。中国大梁水库、加拿大麦卡(Mica)坝、美国的新顿彼得罗(New Don Pedro)坝等工程都采用过这种消能形式。中国当代大型水利枢纽小浪底工程也采用了孔板消能形式。

孔板的消能效果是显著的,例如水头为113.16m的5级孔板消能水头损失达81.76m,约为总水头的72%。每级孔板的消能系数(C)一般按下式计算:

式中,Hi为第i级孔板前0.5D(D为洞径)断面上的测压管水头,m;Hi+1为i+1级孔板前0.5D断面上的测压管水头,m;为洞内平均流速,m/s;g为重力加速度,m/s2

但应指出,上式中并未考虑两计算断面上的紊动动能和雷诺应力位移功等影响,不能完全反映孔板真实消能效果的大小。C的估算可参阅有关资料,对于重大工程,则需进行模型试验。当水流雷诺数Re>105时,清、浑水的水头损失基本一致。根据有关“龙抬头”水洞模型试验资料可初步认为,多级孔板的水头损失系数依次为:三级——1.08,0.932,1.046;四级——1.16,0.78,1.02,1.08;五级——1.22,0.88,1.04,1.10,1.13。

孔板的体形包括孔径比α=d/D(d为孔直径),距径比β=L/D(L为孔板间距),厚径比γ=t/D(t为孔板厚)和孔口边缘形状等。其中最主要的是α, α较大,则孔板消能效果不明显;α较小,则易发生空化空蚀。1962年鲍尔(J.W.Ball)发表了管内单孔板的试验研究成果,成果表明:α<0.70~0.75时,初生空化系数σi因α的加大而增加;α>0.75后,σi因α的加大反而减小。故需提出的是孔径比的选择受到两个相反条件的制约:希望孔板的消能率尽可能高,但孔板的水流空化数又必须高于相应孔径的初生空化数。经试验分析比较得知,在孔板水流空化数不是很高时,孔板不是很有效的消能工。

20世纪80年代中期至90年代,中国学者进行了管内多级孔板、双孔板等大量试验及减压试验研究,除得出与鲍尔基本一致的结论外,还探讨了孔板消能的水流紊动特性等。研究表明,孔板过流处于高紊动状态,动水压强及流速都在激烈脉动,它们可能是引发建筑物共振和空蚀的重要原因之一,据壁压脉动的量测,数据处理及分析可知:

(1)压力脉动是因水流涡体运动而产生,属于低频大脉动,其优势频率约为2Hz左右。

(2)壁压脉动的均方根值为

(p′为脉动压强),δp′的最大值位于孔板后1.0D断面附近,脉动压强的振幅用2δp′表示,脉动压力强度用无因次量δ表示,δ=δp′/[v2 0/(2g)]。

(3)某点各瞬时压强脉动的振幅基本服从正态分布,故脉压最大可能单倍振幅Amax=+aδp′,Amin=-aδp′,脉压极差为2aδp′,系数a可能为3.0~4.5,甚至更大。部分测点(位于孔板上缘切角和孔板后1.0~1.5D处)偏离正态较大,必要时宜对它们另行考虑。

(4)孔板空化需要计及压力脉动,在计算水流空化数(σ)的托玛公式σ=(Ha+Hp-Hv)/[v20/(2g)](式中,Ha为水面大气压强的水柱高;Hp为孔板上游处的相对压强水柱高;Hv为水的饱和蒸汽压水柱高)的分子中,应计及Amin=-4.5σp′。一般来说,计入脉动压力后水流空化数约减少30%~40%。孔板过流的初生空化数要通过试验与相应的理论分析确定。

此外,挟沙水流的紊动会增加建筑物的磨损,必须采取相应的抗磨措施等。

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