减压试验及门槽区水下噪声特征分析

减压模型中用于水下噪声测量的水听器布置于进口段顶板(Z10)、进口侧壁(Z12)、事故门槽区(Z5)、事故门井下游壁与孔顶板相交的圆角区(Z7)、压力段出口顶部压板转折处(Z6)及出口挑流鼻坎末端(Z1)等六个部位,Zi为测点编号。采用美国尼高力公司研制生产的高频多通道空化噪声采集与分析系统进行记录和分析处理。

导流底孔在实际运行中,其明流段出口为淹没出流,但明流段首部均能维持一定范围的急流流态,故在一定上游水位条件下,导流底孔出口淹没度的改变不影响压力长管段水力特性。因此,对于压力长管段体型的空化问题研究,采取控制下游水位,使出口水流呈完全自由挑流的状态,以避免高速淹没出流形成的强剪切空化噪声信号,影响压力长管段诸部位水下噪声信号的监测与分析。而对于挑流鼻坎本身的空化问题,则采用实际出口淹没条件下测试分析其水流空化数,自由挑流条件下确定其初生空化数的方法进行分析与判断。

目前国内外研究和判断空化水流的方法多种多样,但理论上较为成熟、被广泛应用的是水下噪声量测分析法。因为水中空泡的形成、发育、溃灭和回弹全过程的各个阶段均伴随着与一般水流流动噪声不同声辐射,这可视为空化发展不同阶段的判据。根据空化噪声谱级在不同频段的声能贡献,还可判别空化的类型。蒸气型空化噪声谱级具有高频分布特性,声能贡献可延伸至80～100kHz以上频段,而气体型空化的声能贡献主要局限在60～80kHz以下频段。根据空化噪声的随机特性,同时又考虑到声传递过程中的复杂影响因素以及试验设备固有频率属性影响,采用监测到的水下噪声统计平均后的功率谱级差法来进行空化问题的判断分析。声谱级差值ΔSPL=SPLf SPL0,其中SPLf为空化相似条件下的总噪声谱级,SPL0为参考背景条件下的噪声谱级(该条件下经检测无空化发生)。据已有研究工作经验,当ΔSPL≈5dB时,可视为空化初生;当ΔSPL处于5～10dB时,为空化初生阶段;当ΔSPL＞10dB时,为空化发展阶段。

(1)水下噪声及空化特性。进口顶缘(Z10)和侧缘(Z12),谱级的25～200kHz频段,总声谱级基本重合或略高于背景声谱级,在165m上游水位下,最大噪声谱级差ΔSPL＜5dB,表明基本无空化发生。

事故门槽区(Z5)在135～165m上游水位范围,在16～200kHz较宽频段内,存在明显的声谱级差ΔSPL,最大值位于63kHz以下的中低频段,约为7～8dB;而在80～200kHz频段内,ΔSPL≈4～6dB,且各水位下噪声谱的谱形基本相似,声谱级差无明显改变,表明在试验范围内,门槽区出现有常见的气体型旋涡空化特征,蒸气型空化强度处初生态,且上游水位的变化对其影响不大。考虑到门槽下游侧棱及其后斜坡段压力特性尚可,空化信号可能来自主流与扩散水流的剪切层内。就上述空化的量级及空化类型和发生空化的部位,门槽区产生空蚀破坏的可能性不大。

事故门井下游壁与孔顶板相交的圆角区(Z7),在16～200kHz频段内,存在较低谱级差值,最大值ΔSPLmax≈4dB。可见该部位无空化发生。

压力段出口顶部压板转折处(Z6)在135～160m上游水位范围,噪声谱级16～200kHz频段,谱级差ΔSPL在5dB以内,表明该处无空化发生。在165m上游水位下,80～200kHz频段内存在谱级差,在125kHz频率附近达到最大值,ΔSPLmax≈5dB,表明该处存在初生态的蒸气型空化,但从空化强度的大小分析,该处尚不至发生空蚀破坏。(www.xing528.com)

出口挑流鼻坎末端附近(Z1)在16～200kHz较宽频段内存在噪声谱级差,随着上游水位的变化这种谱级差值变化较小。在100kHz频率附近谱级差达到最大值,ΔSPLmax≈10dB,谱形表现出典型的分离型空化特征,空化强度接近发展阶段。考虑到三峡导流底孔实际运行时,出口水舌为淹没出流,鼻坎处的实际水流空化数将明显高于本次减压试验控制条件下(自由挑流)的空化数,空化强度会较自由挑流的试验条件降低。

(2)初生空化数。为进一步验证导流底孔在超设计标准条件下运用的安全性,在165m上游水位条件下通过降低和升高水流空化数的方法,分别测试分析了导流底孔有压段和明流段的初生空化数。

试验成果表明:导流底孔有压段首先发生蒸气型空化初生的部位为门槽区,初生空化数σi1≈1.92;在165m上游水位下,当门槽试验水流空化数降至实际门槽水流空化数的0.94倍时,进口侧缘曲线段Z12测点接收到初生态的蒸气型空化信号,σi2≈1.77;当门槽试验水流空化数降至实际门槽水流空化数的0.91倍时,压力段出口顶板压坡转折区Z6测点和门井下游壁与孔顶板相交的圆角区Z7测点开始接收到初生态的蒸气型空化信号,σi3≈1.70;当门槽试验水流空化数降至实际门槽水流空化数的0.89倍时,进口顶缘曲线段Z10测点也开始接收到初生态的蒸气型空化信号,σi4≈1.68。门槽区水下噪声谱级差最大值与水流空化数关系见图6.30。

图6.30　门槽区水下噪声谱级差最大值与水流空化数关系

为了验证鼻坎处空化强度与水流空化数的关系,在165m上游水位条件下(出口自由挑流)通过增大水流空化数(升高箱体气压)的方法,求得不同水流空化数条件下鼻坎处的空化强度。试验成果表明:出口挑流鼻坎末端产生初生态空化时水流空化数约为0.30。鼻坎处水下噪声谱级差最大值与相应的水流空化数关系见图6.31。导流底孔在整体模型试验得到的最低下游水位H下趾=57.37m(H上=165m)工况下运行时,鼻坎处水流空化数σ=0.194,由图6.31知,出口挑流鼻坎处会产生ΔSPLmax≈7～8dB的初生阶段空化,根据类似工程经验,应当不会发生严重空蚀破坏。导流底孔在H上=140～165m范围内运行,当下游水位H趾超过64m时,出口挑流鼻坎末端的空化强度都可降到初生态以下。