[发明专利]一种掺气减蚀设施有效性的判断方法

说明书

本发明公开了一种掺气减蚀设施有效性的判断方法，包括：动态采集相应掺气水流的电导率数据样本；将电导率数据转换为电阻数据样本；计算电阻数据样本的参数并绘制概率密度曲线；计算电阻离散系数k；依据电阻数据样本的参数和概率密度曲线对掺气减蚀设施在各电导率数据样本采集段的有效性进行定性判断。本发明基于水流掺气电阻的动态数据，能够对掺气减蚀设施的有效性进行快速准确的定性判断，并对水流掺气浓度进行定量描述，操作简单，方便快捷。

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，特别涉及一种掺气减蚀设施有效性的判断方法。

背景技术

在水利水电工程实践中，在高速水流的作用下，泄水建筑物混凝土表面容易发生空蚀破坏。为了避免空蚀破坏，通常的解决方案是在泄水建筑物的流道内设置掺气减蚀设施，利用掺气减蚀设施的作用强迫高速水流掺气，从而有效地减免空蚀破坏。

空气在掺气减蚀设施的作用下进入水体内部，并在流动过程中沿程逸出，掺气浓度由大逐渐减小。水流的掺气浓度越大(水体中气泡越多)，电阻越大；反之越小；未掺气时的清水电阻最小。

麦克斯韦尔掺气浓度计算公式为：

式中，C为掺气浓度；R₀为不含气的清水电阻；R_c为含气水流的掺气电阻。

目前，为保证掺气减蚀设施的有效性，主要利用水力学物理模型试验对掺气减蚀设施的布置及结构体型进行模拟，并用掺气空腔长度、空腔负压、通气风速和掺气浓度等作为掺气减蚀设施的有效性评判指标。然而，在实际工程的原型观测中，由于受到技术手段和观测条件的限制，上述指标均难以准确获得，因而无法对掺气减蚀设施的有效性进行快速准确的定性判断，无法对水流掺气浓度进行定量描述。

发明内容

高速水流掺气是一种平稳随机过程，水流的掺气电阻作为随机变量基本服从正态分布或皮尔逊Ⅲ型分布规律，水流中掺气浓度越大(水体中气泡数量越多)，掺气电阻值(气泡数量)的分布越广，标准差越大，离散系数也越大；反之离散系数越小；当水流未掺气时，清水电阻值的分布最窄，标准差最小，离散系数最小。

基于上述认识，本发明首次将在概率论和数理统计中使用的特征参数离散系数运用于水流掺气电阻的表达上，用k值表示电阻离散系数，电阻离散系数k所表征的物理意义是水流掺气电阻的标准差与平均值的比值，反映了掺气电阻(掺气浓度)的离散程度。根据样本的概率密度曲线的形状和电阻离散系数k，可以对掺气减蚀设施的有效性进行快速准确的定性判断和定量描述。

本发明根据麦克斯韦尔掺气浓度计算公式和正态分布的3σ规则，取不含气的清水电阻R₀＝R-3σ，当含气水流的掺气电阻R_c分别为R-σ、R和R+σ时，推导出掺气浓度C与电阻离散系数k的关系式分别为：和

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种掺气减蚀设施有效性的判断方法，能够对掺气减蚀设施的有效性进行快速准确的定性判断，并对水流掺气浓度进行定量描述。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种掺气减蚀设施有效性的判断方法，其特点是包括以下步骤：

步骤A.在掺气保护区前段和/或中段和/或末段，动态采集相应掺气水流的电导率数据样本；

步骤B.将电导率数据转换为电阻数据样本，并依据正态分布的3σ规则对电阻数据样本进行预处理；

步骤C.计算各电导率数据样本采集段经过预处理后的电阻数据样本的参数；同时，针对各电导率数据样本采集段，绘制相应的经过预处理后的电阻数据样本的概率密度曲线；其中，所述电阻数据样本的参数包括掺气电阻平均值R和掺气电阻标准差σ；

步骤D.计算电阻离散系数k：