[发明专利]多级孔板内消能工的防空化设计方法

说明书

本发明涉及一种多级孔板内消能工的防空化设计方法，该方法包括确定n级孔板泄洪洞中各级孔板模型中的初生空化数对各级孔板的模型初生空化数进行缩尺效应修正，得到各级孔板的原型初生空化数根据原型初生空化数设计修改多级孔板的体型尺寸。本申请提供的上述方案，通过对减压模型试验测定的初生空化数进行缩尺效应修正得到原型初生空化数以经修后的原型初生空化数作为判断多级孔板内消能工水流是否发生空化的依据，可以更加准确地预估多级孔板泄洪洞的水流空化状态；以原型初生空化数作为孔板内消能工泄洪洞体型设计时限制水流发生空化的控制条件，从而为多级孔板泄洪洞安全运行和孔板内消能工体型的合理设计提供了技术支撑。

技术领域

本发明涉及水利水电工程泄洪消能技术领域，特别是涉及一种多级孔板内消能工的防空化设计方法。

背景技术

内消能工是一种适用于深窄峡谷河道水电工程的消能方式，具有高落差、大流量的孔板式内消能泄洪洞是在压力隧洞内设置环状孔板(或洞塞)，突然减小过流断面，利用水流在孔板附近的突然收缩及孔板后形成压力淹没射流以实现能量消耗，是一种封闭式的压力内消能工。这种压力内消能工具有结构体型简单，水流流态稳定，通过变化孔板体型尺寸可以调控其消能效果的特点。

对于高水头的泄洪洞采取在压力隧洞段合理地设置多级孔板连续消能的方式可以有效减小洞内压力，控制洞内水流流速，降低洞内高速水流可能引起的空蚀、冲刷及磨损等破坏风险。若利用多级孔板内消能工将施工导流隧洞改建为永久泄洪洞，还可以节省大量工程投资，解决峡谷河道水电工程枢纽布置空间不足的难题。洪水能量在水流经多级孔板的工程中逐级消耗，从而避免将水流所携带的巨大能量传递至下游，缓解下游泄洪消能的难度。这样的泄洪消能方式对改善大坝下游水流流态，减轻泄洪水流对下游河道的冲刷及泄洪雾化，维护河床和岸坡稳定，减轻对周边环境的影响都有积极的作用。

现有的多级孔板的设计主要是根据消能效果和过流能力进行体型确定，并根据减压模型试验测定多级孔板洞的空化特性并评估和控制原型孔板的水流空化状态。但是由于孔板的水流空化存在严重的缩尺效应，其减压模型确定的初生空化数可能与原型初生空化数之间存在较大的偏差，不能真实反映原型孔板的空化状态，导致对原型水流空化程度估计不足使得在实际运行过程中发生比较严重的空化水流，影响多级孔板泄洪洞的安全运行。因此，在设计多级孔板内消能工的时候，不能忽略模型的缩尺效应对孔板初生空化数的影响。

发明内容

基于此，有必要针对现有的模型空化特性测量结果与原型并不完全一致的问题，提供一种多级孔板内消能工的防空化设计方法。

本发明提供了一种多级孔板内消能工的防空化设计方法，该方法包括：

确定n级孔板泄洪洞中各级孔板模型中的初生空化数其中，式中，为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时其孔板前0.5D处洞顶时均压力，g为重力加速度，p’_a/γ为减压箱内的环境大气压力，p’_v/γ为试验水体的饱和蒸汽压力，V_Mi为模型中第i级孔板处水流开始发生空化时模型水流流经第i级孔板孔口断面的平均流速；

对各级孔板的模型初生空化数进行缩尺效应修正，得到各级孔板的原型初生空化数其中，式中，L_r为模型与原型的比例；k₁为反映模型尺度影响的系数；β_i为第i级孔板的孔径比；k₂为反映速度影响的系数；V_Pi为原型水流流过第i级孔板孔口断面的平均流速；

根据原型初生空化数设计修改多级孔板的体型尺寸。

在其中一个实施例中，所述k₁＝0.052(V_Mi/V_Mimax)^-2，式中，V_Mimax为减压模型试验流经第i级孔板孔口断面的最大平均流速。