[發(fā)明專利]一種平頭孔板初生空化數(shù)確定方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711062387.3
• 申請(qǐng)日: 2017-11-01
• 公開（公告）號(hào): CN107748823A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 艾萬政;王偉軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江海洋大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G06F17/11;G06Q50/06
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務(wù)所有限公司33109
• 代理人: 尉偉敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種平頭孔板初生空化數(shù)確定方法。

背景技術(shù)

孔板在高壩泄洪中有重要應(yīng)用，水流通過平頭孔板的流態(tài)如圖1所示。由于孔板的特殊體型，水流經(jīng)過孔板時(shí)會(huì)產(chǎn)生突縮和突擴(kuò)，在孔板前后形成水流的旋滾區(qū)，在水流內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)剪切和強(qiáng)摩擦，因此水流的巨大能量在孔板附近會(huì)得到消殺?？装寰哂胁贾煤?jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、消能效率高、空化空蝕破壞較小等特點(diǎn)，在未來水電消能中有著重要的應(yīng)用前景。

孔板空化問題是孔板實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重大破壞問題，空化初生，即液體內(nèi)局部壓強(qiáng)降低到臨界值，所含氣核急劇增長，空化開始時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象，因?yàn)檫@種情況是有空化及無空化的界限，所以長期以來為研究者所重視，空化初生常以初生空化數(shù)來標(biāo)志。現(xiàn)有的研究的聚焦領(lǐng)域主要是孔板的初生空化數(shù)及其能量損失系數(shù)，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)分別反映了孔板抗空蝕破壞的能力及其消能能力，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，孔板的初生空化數(shù)越小，其抗空蝕破壞的能力越強(qiáng)；孔板的能量損失系數(shù)越大，孔板的消能效果越好。

《Journal of hydraulic engineering》2001年第8期，文章名為“Hydraulic characteristics of multistage orifice tunnels”中指出，孔板的初生空化數(shù)及能量損失系數(shù)主要與孔徑比β密切相關(guān)(β＝d/D，其中d是孔板直徑，D是泄洪洞直徑，d和D見圖1)，β越大，孔板的初生空化數(shù)越小，孔板抗空蝕破壞能力越強(qiáng)，但孔板的能量損失系數(shù)同時(shí)也越小，消能效果也會(huì)變差?，F(xiàn)有的關(guān)于孔板初生空化數(shù)和能量損失系數(shù)問題的研究大多停留在定性分析層面，研究結(jié)論雖然對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)價(jià)值，但由于沒有得到初生空化數(shù)與相關(guān)體型要素和水力要素之間的定量關(guān)系，所以還不太適合實(shí)際工程的直接應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種平頭孔板初生空化數(shù)確定方法，獲得初生空化數(shù)與管道水流雷諾數(shù)、孔板直徑與泄洪洞直徑的比值、孔板厚度與泄洪洞直徑的比值之間的定量關(guān)系，使其適合實(shí)際工程的直接應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種平頭孔板初生空化數(shù)確定方法，具體采用如下步驟：

步驟一、確定影響初生空化數(shù)σ_i的因素，包括管道水流雷諾數(shù)Re，孔板直徑d與泄洪洞直徑D的比值β，孔板厚度T與泄洪洞直徑D的比值α；

步驟二、基于RNG k-ε模型建立水流通過平頭孔板的數(shù)值模擬模型；

步驟三、基于RNG k-ε模型確定初生空化數(shù)σ_i的計(jì)算方法；

步驟四、對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析擬合，確定初生空化數(shù)σ_i與影響初生空化數(shù)σ_i的因素之間的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。

作為優(yōu)選，步驟一中確定影響初生空化數(shù)σ_i的因素具體為：初生空化數(shù)的定義公式為

σ_i＝(p_∞-p_v)/(0.5ρu²) (1)

其中，p_∞是指孔板初次發(fā)生空化時(shí)孔板前面未擾動(dòng)斷面的臨界壓強(qiáng)，p_v是水流的飽和蒸汽壓，ρ是流體的密度；u是泄洪洞水流的平均流速；

由于空化首先發(fā)生在壓強(qiáng)最低處，如果認(rèn)為空化初生時(shí)氣泡內(nèi)充滿著水汽，此時(shí)p_v應(yīng)該等于孔板的最低壓強(qiáng)p_min，式(1)也可表達(dá)成

σ_i＝(p_∞-p_min)/(0.5ρu²) (2)

由于以上參數(shù)都是獨(dú)立變量，且這些獨(dú)立變量也是(p_∞-p_min)的函數(shù)，因此可以得到

p_∞-p_min＝f(D，d，T，ρ，μ，u) (3)

式(3)可以改寫成

(p_∞-p_min)/(0.5ρu²)＝f(d/D，T/D，uDρ/μ) (4)

結(jié)合式(1)和式(4)，可以得到

σ_i＝f(β，a，R_e) (5)

其中Re＝uDρ/μ為管道水流雷諾數(shù)，β＝d/D為孔板直徑d與泄洪洞直徑D的比值(孔徑比β)；a＝T/D為孔板厚度T與泄洪洞直徑D的比值(厚徑比α)。