[發(fā)明專利]摻氣減蝕模型減壓試驗方法

有效

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• 申請日: 2011-07-28
• 公開（公告）號: CN102435414A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設計）人: 胡亞安;嚴秀俊;阮仕平;薛淑;胡皓
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 任立;姚姣陽

技術領域

本發(fā)明屬于防止高流速泄水建筑物空蝕破壞的技術領域，涉及一種摻氣減蝕模型減壓試驗方法。

背景技術

隨著壩工技術的提高和我國水利水電建設事業(yè)的快速發(fā)展，我國髙壩建設已從開始的近100m級發(fā)展至300m級階段，泄洪流速相應從早期的20～30m/s發(fā)展至當今50m/s以上，由此產生的高速水流問題日益突出，泄水建筑物發(fā)生嚴重空蝕破壞的可能性逐漸增大，嚴重威脅工程的安全運行，因而備受工程界及研究人員的關注。

目前，對于高水頭泄洪洞空蝕破壞的防護，僅采用保證壁面平整度及使用抗空蝕材料的方法己不能很好滿足要求，實踐證明，摻氣減蝕是一種經濟有效且技術可行的工程措施。目前工程中通常采用在泄水建筑物過流面上設置摻氣槽/坎的方法進行摻氣減蝕，這些摻氣設施按照所處的位置可以分為底部摻氣和側墻摻氣兩種，其作用是增加泄水建筑物底部和側墻處的摻氣濃度。由于高速水流問題的復雜性，摻氣設施的減蝕效果目前還難以通過數(shù)學模型進行模擬，通常采用減壓模型試驗進行論證。

傳統(tǒng)減壓試驗理論認為，一般水流空化發(fā)生在嚴重的負壓區(qū)，而常壓試驗，高負壓容易產生虛擬負壓的問題，所以模型試驗中大氣壓強必須根據(jù)模型比尺進行降低。具體原則是，減壓模型采用重力相似設計，在試驗中保持模型與原型的空化數(shù)相等，即：

???????????????（1）

式中，—水流空化數(shù)；

????????????????????????????????????????????????????—大氣壓力；

?????—計算斷面處時均壓力；

??????—汽化壓力；

??????—斷面平均流速；

?????—重力加速度。

則可得到減壓箱內模型應控制的氣壓為：

??????????????????????????????????（2）

—模型比尺。

減壓模型試驗過程中，隨時根據(jù)減壓箱內工作水溫與所相應的汽化壓力的變化由（2）式得到減壓箱內的氣壓值。

減壓箱內的真空度為：

????????????????????????????（3）

式中，為試驗室大氣壓。

根據(jù)以上試驗方法，如模型無空化現(xiàn)象，原型則無空蝕破壞。

根據(jù)傳統(tǒng)減壓試驗理論，減壓箱內真空度與模型比尺密切相關。在大比尺(＝40左右)模型試驗中，為了達到水流空化數(shù)相同，試驗必須在高真空度(相似真空度大于95％)下進行。目前的摻氣減蝕模型減壓試驗方法如圖2所示，是將整個摻氣減蝕模型置于減壓箱7中，摻氣減蝕模型包括底板1、摻氣孔3、底部摻氣設施5和通氣管4，摻氣設施5的通氣管4也位于減壓箱7內部的真空環(huán)境中，水流以及水流周圍的空氣被抽走，因此摻氣設施的摻氣量遠遠小于原型，不能真實反應摻氣設施的減蝕效果。以大朝山水電站模型試驗為例，該模型比尺＝40，相似真空度96％左右，模型試驗中通氣設施從減壓箱內部進氣，此時箱體內絕大部分空氣被抽出，水流基本在無空氣環(huán)境中運行，水中幾乎無摻氣，在模型中觀測到有空化噪聲，但2002年6月的水力學原型觀測表明，原型運行并未出現(xiàn)空蝕破壞，即減壓試驗結果與原型是不相似的。

從以上的減壓箱真空度計算公式中也可以看出，如要降低減壓模型試驗的真空度，增加減壓環(huán)境中摻氣設施的通氣量，只有采用盡可能小的模型比尺，即增大模型尺寸。例如，將相似真空度控制在90％，相應的模型比尺約為＝12左右，200～300m高壩模型高度將達到20～30m，對于目前的大型乃至巨型水利工程模型試驗而言，這一方法是不經濟的，也是不現(xiàn)實的。而且即使相似真空度降低至90％，其摻氣量也遠遠小于常壓下的摻氣量。

綜上所述，傳統(tǒng)的摻氣減蝕模型減壓試驗方法將整個模型置于真空環(huán)境中，摻氣設施從減壓箱中進氣，無法滿足模型與原型的通氣量相似，試驗結果難以反應原型的摻氣減蝕效果。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是：針對以上現(xiàn)有技術存在缺點，提出一種摻氣減蝕模型減壓試驗方法，可以解決減壓試驗中摻氣設施通氣量不相似的問題。

本發(fā)明解決以上技術問題的技術方案是：