高水頭溢流面體型的研究

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1、水利學報1952年g月SHUILIXUEBAO第9期高水頭溢流面體型的研究李忠義(水利水電科學研究院)提要本文對.對等空穴數(shù)及等安全壓力兩種減蝕概念的休溢流面減蝕體型的設(shè)計準則進行了探討,,,型進行了分析得到了兩類減蝕體型曲線但其基本方程的形式卻完全相同只是其中的設(shè)計常數(shù).文中提出的數(shù)值積分法精度較高,計算簡便,可期具有一定的普遍適用意義.文末對兩項不同:,大型工程的泄水建筑物所作的分析計算表明在大單寬流量下減蝕曲線的效果顯著空穴數(shù)可提,.高40一69%左右有效落差可降低24一40%言在,高水頭泄水建筑物的設(shè)計中空蝕是重要的問

2、題之一國內(nèi)外有許多高水頭泄水,r、、、-建筑物發(fā)生了嚴重的空蝕破壞如G即dCoule豐滿水豐bPaTeKH益和KPaC},OJI〔‘’.,K此外類似溢流壩Pc浦等水力樞紐的大壩溢流面都曾發(fā)生過不同程度的空蝕破壞,的有傾斜段的無壓泄洪洞如Hoer壩和YellowTail壩的泄洪洞及劉家峽水電站的右ov〔:,,〕.這些實例說明,防止高水頭泄水建筑物的岸泄洪洞也都發(fā)生過嚴重的空蝕破壞空蝕問題的研究和解決是迫切的.:;目前溢流壩或無壓泄洪洞的減蝕措施大致有以下毛種(1)設(shè)置通氣槽(2);.改善施工工藝(3)采用抗空蝕材料;和(4)改善

3、溢流面體型改善溢流面體型是,它可.2],本文所要研究的以提高邊界上的壓力和水流空穴數(shù)據(jù)文獻[報導法國的o、BrtChastang等壩的廠房頂瀉槽的溢流面及西班牙的Aldead如ila壩溢洪道的溢流面都采用了某種特殊曲線以提高溢流面上的壓力及水流空穴數(shù).我國在60年代初也已開始了這方面的研究,〔‘,5,6’.并取得了一些初步結(jié)果所述四種減蝕措施都各有一定的適用范圍.但改善溢流面體型則是一種較經(jīng)濟的措,它幾乎不需增加或很少增加額外費用.因此,施進一步研究溢流面的合理體型具有重要的實際意義.二、等空穴數(shù)減蝕曲線當局部壓力降低到,.等

4、于或小于當?shù)厮疁叵碌钠瘔毫r在該點就妥產(chǎn)生空穴而:、局部壓力降低的主要原因可歸納為以下兩方面(1)溢流面的不平整定線誤差和繞,、流形式的不良包括表面隆起或下凹和錯臺都將引起局部流態(tài)紊亂流速增加和壓力下.;(降這種壓力下降值與擾動前的當?shù)亓魉偎^成正比2)由于水流紊動而產(chǎn)生的脈.,L。,動壓力經(jīng)驗表明脈動壓力也是和當?shù)貢r均流速水頭成正比”因此局部瞬時壓‘:力下降的絕對值p可用下式表示水利學報1982年,下~一。,。,p/C么(V丟/29)(1):。。。,;。式中C石考慮溢流面的不平整及紊動影響的瞬時最小壓力系數(shù)為負值V不平整體

5、上游—的來流時均流速;下水的比重,g重力加速度.—產(chǎn).—產(chǎn),—.,p是促成空穴發(fā)生的因素P愈大發(fā)生空穴的可能性愈大另一方面溢流面上。,。承受的來流時均壓力歹和大氣壓力p它們與蒸汽壓力p之差是阻止空穴發(fā)生的作用力.故可以用它們的:比值來指示發(fā)生空穴現(xiàn)象的可能性。。,.‘、,K=(P+P一P)/P~,/一C石(2)。。。,,,式中一(下+p一p)/雙v孟/29)稱為空穴數(shù)當K一1時表示空穴剛剛可以產(chǎn)生,,,‘。.二O’‘.這時的空穴數(shù)稱為初生空穴數(shù)用吸表示由式(2)可得~一C石及K~叮/由此可見,為了,,,提高溢流面的抗空穴性能或

6、者改善施工工藝降低叭值或者提高水流空穴數(shù)。沿流面的分布.,,為了最大限度地提高溢流面上的最小空穴數(shù)并使壩面壓力沿程無突變林秉南等在60,并給出了等o-〔‘’.年代初首先提出了溢流面反弧段按等空穴數(shù)設(shè)計的方法曲線方程在文獻〔4」的基礎(chǔ)上文獻仁5]給出了等『曲線的微分方程及其級數(shù)解.下面對這個問題繼、.續(xù)進行分析得出兩種設(shè)計準則兩種聯(lián)接情況的減蝕曲線方程及改進的解題方法應(yīng)用前述空穴數(shù)的定義及伯努利方程并忽略沿程摩阻,得。。H+(p一P)/下一13)V孟/29式中H—溢流面上某點的落差.根〔8」據(jù)二元秉性坐標系的無旋條件得”,gV/

7、a牡+/了~0(4):;咒;r式中V斷面上某點的流速該點至水面的法向距離流線在該點的曲.——:—率半徑獷假設(shè)在斷面上沿水深呈直線變化,獷~R一m(h一n)(5):;,式中R該點溢流面的曲率半徑饑流線曲率半徑變化的比例常數(shù)h溢—.——流面上的法向水深由式(4)及(5)得。~Vs‘/仍V(1一mh/R)(6)一’/仍一(1一R)(1饑h/凡)m人/S,,V鉀(z一h/ZR)V(m一1)瓦/凡式:v:;V.中該斷面自由面上的理論流速該斷面的平均流速凹曲線時R為正,—,—,值凸曲線時R為負值若減蝕溢流面上的空穴數(shù)保持常量則由式(3)及

8、(6)得:等空穴數(shù)減蝕曲線的基本方程如下。一p。下〕1+,。z一’/仍eos夕),(〔H+(p)//()=(扭瓦/R)(H一入s):。。.式中減蝕溢流面起點的水流空穴數(shù),口壩面傾角(圖1)下面將對等空—:—穴數(shù)減蝕曲線的不同聯(lián)接條件分別進行分析.,1減蝕曲線與直線聯(lián)接的情況從