高速水力学中的五个问题

高速水力学

一．高速水力学的科学问题如下：

1水流脉动与水工建筑物的振动：人们发现水流在运动中有脉动现象。研究脉动的基础应是紊流理论，近年来借助随机理论推动了这个课题的发展。

2空化与空蚀：空化与空蚀最早是在航海界发现的，由于与水流运动接触的固壁上都可能有空化与空蚀，所以这个课题的研究人力多，领域广，成果也多。

3泄水建筑物的消能防冲：我国的水利水电建设工程主要是两大类，一类是高水头、大流量，窄峡河谷的大中型工程，另一类是面广量大的中小型工程。两类工程中都有不同的高速水力学问题，特别是消能防冲问题在两类工程中普遍的存在着。近年来我国已突破了传统的底、面、挑三种消能方式，而大量的采用了落水点前后错开，挑坎高程不同的大差动泄洪，各种异形挑坎，窄缝挑坎等收缩式的新型消能工还有掺气分流墩，宽尾墩等辅助消能工及其多者结合的综合消能措施，解决了我国许多布置复杂，地形地质条件不利的工程的消能与防冲问题。

4泄水建筑物紊流边界层的研究：我国对泄水建筑物紊流边界层的研究，在国际上可以说是领先的，但我国过去的研究是以实验为主的，理论方面的深度还不够，特别是在紊流理论与边界层理论方面。近年来由于测试技术提高及计算机的应用，这方面的情况有所改观，边界层的数值计算有较大的发展。紊流边界层是基本理论，因此亦是高速水力学的研究课题之一。

5泄洪雾化问题：由于泄洪水流与空气边界相互作用形成雾化水流。

二．重点讨论空化与空蚀

1.空蚀破坏机理

固体壁面产生空蚀破坏的机理有机械作用、化学腐蚀作用、电化学作用等,其中较公认的是机械作用为主。

(1)机械作用。机械作用理论研究者认为,过流壁面产生空蚀破坏是由于空泡溃灭时产生微射流和冲击波的强大冲击作用所致，通过计算和实测得出,游移型空泡溃灭时,近壁处微射流速度可达70～180m/s(有人认为可高达600m/s),在物体表面产生的冲击压力可高达140～170MPa(有的计算高达58.2GPa),微射流直径约为2～3μm,表面受到微射流冲击次数约为100～1000次/(s·cm2),冲击脉冲作用时间每次只有几微秒.这样高的冲击作用将直接破坏物体表面而形成蚀坑,较小冲击力的反复作用则引起物体表面疲劳破坏。

(2)化学腐蚀作用。一般说来,化学腐蚀作用常与机械空蚀作用互相促进,空蚀加速腐蚀,腐蚀也加速空蚀,二者联合作用造成固壁更严重的破坏。

(3)电化学作用。在空泡溃灭时的高温高压作用下,金属晶粒中形成热电偶,冷热端间存在电位差,对金属表面产生电解作用,造成电化学腐蚀。

2.水轮机抗空化和空蚀措施

一般来说，水轮机内完全避免发生空化和空蚀现象是不可能的，这是因为合理地确定水轮机的吸出高度，只解决了翼型空蚀问题，并没有解决空腔空蚀和间隙空蚀的问题。另外，按照完全避免发生空蚀的条件来决定吸出高度也不合适，如果真这样做，将导致电站开挖量的急剧增加，使得经济上很不合理。最后就空蚀系数本身来说，因为影响它的因素

较为复杂，直接用理论计算或直接在叶片上测量均由困难。目前是根据效率突然降低的模型试验方法来决定空蚀系数的。实际上，空化和空蚀现象在效率突然下降前早已发生，效率突然下降，说明空化和空蚀已发展到了相当严重的程度。何况转轮模型试验的条件与原型水轮机的运行条件也存在着一定的差异。

近代国内外对空蚀问题作了大量的研究，并总结出一些预防空蚀的经验，大致涉及到以下若干方面。

（1）设计：设计主要是采用合理的设计改善翼型。例如，改善叶片头部的形状，使转轮叶片呈光滑的流线型；尽可能使叶片上压力分布均匀，并缩小低压区；叶片背面无鼓包，使水流平顺流畅；叶片出口边应较薄等。实践证明，翼型设计得合理，是可以减轻空化和空蚀损伤的。但从能量观点上讲，要求水轮机的过流量尽可能大，而空蚀系数又随过流量的增加而增加，为保证水轮机有良好的能量特性，空蚀系数不可能太小。

（2）制造：提高制造工艺水平，使转轮叶片加工后的型线尽可能与设计模型图一致。实际运行中，在同一个水轮机上，发现各叶片被空蚀损坏的程度差别很大，这是由于制造时型线误差较大造成的。另外，还应注意叶片表面的粗糙度，粗糙的过流表面会增加空泡产生及破裂的频率，空泡在金属颗粒缝隙中破裂时对金属表面的破坏性更大。

（3）选型：水轮机翼型空蚀与吸出高度HS的关系密切，从若干运行水电厂的调查情况来看，吸出高度比制造厂要求保证的值留有1m以上的余量，空蚀损坏较轻微。但也有个别水厂的实际吸出高度与制造厂的保证值相比虽然有5-6m的余量，但仍遭受空蚀损坏的，这主要是由于翼型制造不良或运行中的特殊原因所造成的，这种情况用降低安装高程的办法是解决不了空蚀问题的。相反，安装高程太低，可能引起空腔空蚀和振动。当HS超过-5m后，补气很困难。