孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對平頭孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)的 計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在水電工程項(xiàng)目中，高壩的使用越來越多，根據(jù)期刊WaterResourcesandWater Engineering在第2 (2)刊中的論文《Ageneralreviewonthelayoutofhydro-junction andtechniqueofflooddischargeandenergydissipationforhighdamsinChina)) 的記載內(nèi)容，四川省錦屏一級水電項(xiàng)目和雙江口水電項(xiàng)目，它們的大壩高度分別達(dá)到了 305m和315m。高壩下泄的水流具有巨大的能量，如何將高壩下泄的巨大能量消殺掉，是擺 在廣大水電工作者面前的一大重要課題。
[0003]根據(jù)期刊JournalofHydraulicEngineering中的論文《Hydraulic characteristicsandoptimizationoforificeplatedischargetunnelofthe Xiaolangdihydropowerproject》的記載內(nèi)容，1998年，在經(jīng)過廣大專家充分論證的基礎(chǔ) 上，我國黃河小浪底水利樞紐工程采用三級孔板消能，消能效率高達(dá)44%情況。
[0004] 如圖1所示的平頭孔板消能示意圖，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。
[0005]國內(nèi)外同行專家針對孔板的水力學(xué)特性開展了大量的研究，他們研究的聚焦領(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。根據(jù)期刊Journalofhydraulicresearch在2010第48(4)刊中 的論文《Headlosscoefficientoforificeplateenergydissipaters》的記載內(nèi)容， 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。
[0006] 關(guān)于孔板的初生空化數(shù)及能量損失系數(shù)，根據(jù)期刊JournalofHydrodynamics在 Ser.A. 2 (3)刊中的論文《Anexperimentalstudiesonenergydissipationoforifice plateinthetube》的記載內(nèi)容，以及期刊JournalofHeatandFluidFlow在第8(2)刊 中的論文〈〈Thedeterminationofpipecontractionpressurelosscoefficientsfor incompressibleturbulentflow》記載的內(nèi)容，可以獲知孔板的初生空化數(shù)及能量損失系 數(shù)主要與孔徑比0密切相關(guān)=d/D，其中d是孔板的直徑，D是泄洪洞直徑），0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。
[0007]根據(jù)期刊FlowMeasurementandInstrumentation在 8 ⑵干丨』中由Kim等 人發(fā)表的論文〈〈Effectsofcavitationandplatethicknessonsmalldiameter ratioorificemeters》記載的內(nèi)容，以及Takahashi和Matsuda在論文《Cavitation characteristicsofrestrictionorifices》中記載的內(nèi)容可知，通過試驗(yàn)研究得到了類 似的結(jié)論。雖然針對孔板水力學(xué)特性問題研究較多，但是關(guān)于孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)方面 的研究較少。事實(shí)上，在孔板附近，最先發(fā)生空化的地方往往是壓強(qiáng)最低處，壁面最低壓強(qiáng) 特性直接關(guān)系到孔板抵御空蝕破壞的能力，因此有必要探討孔板壁面的最低壓強(qiáng)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種能夠反映孔板最小壁 面壓強(qiáng)系數(shù)與孔板體型要素、水力要素之間的定量關(guān)系，并且計(jì)算簡單的孔板最小壁面壓 強(qiáng)系數(shù)的計(jì)算方法。
[0009] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)的計(jì) 算方法，其特征在于包括如下步驟：
[0010] 孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)的定義公式為：
[0011]cmin=(P"-pmin)/(0. 5 p u2) (1)
[0012] 公式（1)中，C_為孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)，p"為孔板前未擾動(dòng)處斷面的平均壓 強(qiáng)，P_為孔板泄洪洞壁面的最低壓強(qiáng)，P為水流密度，u為泄洪洞內(nèi)水流的平均流速；
[0013] 壓強(qiáng)差P" -p_的影響因素方程為：
[0014] P〇= -pmin=f(D,d,T,p , y , u) (2)
[0015] 公式（2)中，D為泄洪洞直徑，d為孔板直徑，T為孔板厚度，p為水流密度，y為 水流的動(dòng)力粘度；
[0016] 由公式⑵得到：
[0017] (P°° -pnin) / (0. 5pu2) =f(d/D,T/D,uDp/y) (3)
[0018] 由公式⑴和公式（3)可得：
[0019] Cnin=f(P,a,Re) (4)
[0020] 公式（4)中：0 =d/D，0為孔板和泄洪洞的孔徑比；
[0021]a=T/D，a為孔板的厚徑比；
[0022] Re=uDAy / P)，Re為雷諾數(shù)；
[0023] 公式（4)中，平頭孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)(：_是孔板的厚徑比a、孔板和泄洪洞的 孔徑比0及雷諾數(shù)Re的函數(shù)；
[0024] 在實(shí)驗(yàn)室條件下，在孔板后方的泄洪洞壁上密集布置多個(gè)測壓管，設(shè)置兩類工況， 針對不同體型的孔板測量泄洪洞壁面上的壓強(qiáng)；
[0025] 首先設(shè)置第一類工況，即在孔板的厚徑比a固定的工況條件下，測量在不同孔徑 比0及雷諾數(shù)Re條件下的泄洪洞壁面上的壓強(qiáng)，根據(jù)公式（1)計(jì)算不同工況條件下的孔 板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)；
[0026] 設(shè)置第二類工況，即在孔板和泄洪洞的孔徑比0固定的工況條件下，測量在不同 孔徑比0及雷諾數(shù)Re條件下的泄洪洞壁面上的壓強(qiáng)，根據(jù)公式（1)計(jì)算不同工況條件下 的孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)；
[0027] 根據(jù)前述兩種工況條件下的計(jì)算獲取的孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取對 孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)影響不大時(shí)對應(yīng)的雷諾數(shù)，從而得到對孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)影響 不大的雷諾數(shù)區(qū)間Re>Re。；
[0028] 根據(jù)前述兩種工況條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將雷諾數(shù)區(qū)間Re>Re。范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)分別繪 制成孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)(：_與孔徑比e的關(guān)系擬合曲線、孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)c_ 與厚徑比a的關(guān)系擬合曲線，其中，雷諾數(shù)區(qū)間Re>Re。范圍內(nèi)的孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)數(shù) 據(jù)對應(yīng)的孔徑比0的分布范圍為0 <n，雷諾數(shù)區(qū)間Re>Re。范圍內(nèi)的孔板最小壁面 壓強(qiáng)系數(shù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的厚徑比a的分布范圍為i<a<j;
[0029] 根據(jù)兩個(gè)擬合曲線獲取孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)C_的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：
[0030] Cmin=(aa2+ba+c)X(x02+y0 +z) (5)；
[0031] 公式（5)適用的范圍為：m彡彡n，i彡a彡j且Re>Re。。
[0032] 為了提供數(shù)據(jù)的精確性，在實(shí)驗(yàn)室條件下，在孔板后方0.f5D范圍內(nèi)的泄洪洞壁上 每間隔lcm即布置一根測壓管，根據(jù)測壓管水柱的高度獲取測壓管所處壁面的壓強(qiáng)。
[0033] 在0.4彡0彡0.8,0.05彡a彡0.5且Re>105的條件下，孔板最小壁面壓強(qiáng)系 數(shù) 的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：C_= (0? 86a2-l. 6ba+1. 12)X(-2. 07 2-1. 7 +3. 98)。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：該孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)的計(jì)算方法針對 孔板壁面壓強(qiáng)與孔板抵御空蝕破壞能力的問題進(jìn)行了研究，特別給出了孔板最小壁面壓強(qiáng) 系數(shù)計(jì)算的可行性方法，經(jīng)研究給出了孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)與孔徑比、厚徑比、雷諾數(shù)燈 水力要素之間的定量關(guān)系，通過該定量關(guān)系可以方便的計(jì)算孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)且計(jì)算 獲取的孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)誤差小，為工程設(shè)計(jì)提供了有力的參考價(jià)值；
【附圖說明】
[0035] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中平頭孔板內(nèi)的水流示意圖。
[0036] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中根據(jù)表格2中的數(shù)據(jù)繪制成的擬合曲線。
[0037] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中根據(jù)表格3中的數(shù)據(jù)繪制成的擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0039] 在孔板消能的工程研究中，孔板的最小壁面壓強(qiáng)特性與孔板的抗空化破壞能力密 切相關(guān)，是孔板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。
[0040] 孔板的最小壁面壓強(qiáng)特性可以用孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)來描述，孔板最小壁面壓 強(qiáng)系數(shù)的定義公式為：
[0041] Cmin= (P " -pmin) / (0. 5 p u2) (1)
[0042]公式（1)中，C_為孔板最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)，p"為孔板前未擾動(dòng)處斷面的平均壓 強(qiáng)，通?？装逦磾_動(dòng)斷面取在孔板前〇.f5D位置，D為泄洪洞直徑，p_ (Pa)為孔板泄洪洞壁 面的最低壓強(qiáng)，P(kg/m3)為水流密度，u(m/s)為泄洪洞內(nèi)水流的平均流速。
[0043] 影響孔板的最小壁面壓強(qiáng)系數(shù)的因素包括：水流密度P(kg/m3)、水流動(dòng)力粘度 y(N.s/m2)、泄洪洞直徑D(m)、孔板直徑d(m)、孔板