[发明专利]一种平头孔板初生空化数确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种平头孔板初生空化数确定方法。

背景技术

孔板在高坝泄洪中有重要应用，水流通过平头孔板的流态如图1所示。由于孔板的特殊体型，水流经过孔板时会产生突缩和突扩，在孔板前后形成水流的旋滚区，在水流内部产生强剪切和强摩擦，因此水流的巨大能量在孔板附近会得到消杀。孔板具有布置简单、经济、消能效率高、空化空蚀破坏较小等特点，在未来水电消能中有着重要的应用前景。

孔板空化问题是孔板实际应用中的一个重大破坏问题，空化初生，即液体内局部压强降低到临界值，所含气核急剧增长，空化开始时发生的现象，因为这种情况是有空化及无空化的界限，所以长期以来为研究者所重视，空化初生常以初生空化数来标志。现有的研究的聚焦领域主要是孔板的初生空化数及其能量损失系数，因为这两个参数分别反映了孔板抗空蚀破坏的能力及其消能能力，普遍的观点认为，孔板的初生空化数越小，其抗空蚀破坏的能力越强；孔板的能量损失系数越大，孔板的消能效果越好。

《Journal of hydraulic engineering》2001年第8期，文章名为“Hydraulic characteristics of multistage orifice tunnels”中指出，孔板的初生空化数及能量损失系数主要与孔径比β密切相关(β＝d/D，其中d是孔板直径，D是泄洪洞直径，d和D见图1)，β越大，孔板的初生空化数越小，孔板抗空蚀破坏能力越强，但孔板的能量损失系数同时也越小，消能效果也会变差。现有的关于孔板初生空化数和能量损失系数问题的研究大多停留在定性分析层面，研究结论虽然对实际工程有指导价值，但由于没有得到初生空化数与相关体型要素和水力要素之间的定量关系，所以还不太适合实际工程的直接应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平头孔板初生空化数确定方法，获得初生空化数与管道水流雷诺数、孔板直径与泄洪洞直径的比值、孔板厚度与泄洪洞直径的比值之间的定量关系，使其适合实际工程的直接应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种平头孔板初生空化数确定方法，具体采用如下步骤：

步骤一、确定影响初生空化数σ_i的因素，包括管道水流雷诺数Re，孔板直径d与泄洪洞直径D的比值β，孔板厚度T与泄洪洞直径D的比值α；

步骤二、基于RNG k-ε模型建立水流通过平头孔板的数值模拟模型；

步骤三、基于RNG k-ε模型确定初生空化数σ_i的计算方法；

步骤四、对数值模拟结果进行分析拟合，确定初生空化数σ_i与影响初生空化数σ_i的因素之间的经验表达式。

作为优选，步骤一中确定影响初生空化数σ_i的因素具体为：初生空化数的定义公式为

σ_i＝(p_∞-p_v)/(0.5ρu²) (1)

其中，p_∞是指孔板初次发生空化时孔板前面未扰动断面的临界压强，p_v是水流的饱和蒸汽压，ρ是流体的密度；u是泄洪洞水流的平均流速；

由于空化首先发生在压强最低处，如果认为空化初生时气泡内充满着水汽，此时p_v应该等于孔板的最低压强p_min，式(1)也可表达成

σ_i＝(p_∞-p_min)/(0.5ρu²) (2)

由于以上参数都是独立变量，且这些独立变量也是(p_∞-p_min)的函数，因此可以得到

p_∞-p_min＝f(D，d，T，ρ，μ，u) (3)

式(3)可以改写成

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

结合式(1)和式(4)，可以得到

σ_i＝f(β，a，R_e) (5)

其中Re＝uDρ/μ为管道水流雷诺数，β＝d/D为孔板直径d与泄洪洞直径D的比值(孔径比β)；a＝T/D为孔板厚度T与泄洪洞直径D的比值(厚径比α)。