高水头弧形闸门出口侧墙空化特性及掺气减蚀研究

摘要

高水头泄洪放空洞弧形闸门出口往往需要设置掺气设施以减免高速水流空化空蚀破坏。由于有压出口区域水流流态与结构壁面相互作用复杂，易导致掺气减蚀保护失效，目前，其核心水力致灾原因尚不明确，并且制约着适用于弧形闸门掺气减蚀的技术研发。本文结合实际工程中高水头弧形闸门出口侧墙空蚀破坏实例，采用水力学模型试验与数值模拟方法，对空蚀破坏的水力学成因进行系统分析，并提出了掺气减蚀水力设计方案。结果表明，弧形闸门泄流运行时，高速水流横向扩散显著，侧空腔掺气效果较差，在侧向附壁过程中形成侧墙冲击–低压反射区，导致附壁区水流空化数较低，并存在侧墙清水区域，二者共同作用导致泄洪放空洞侧墙发生空化空蚀破坏，这种不利影响在大流量、闸门局开条件下更为严重。基于提高侧墙水流空化数与改善侧掺气空腔掺气效果，提出了侧墙二级收缩掺气坎，实现低压空蚀风险区域水流脱壁，末端侧向水流附壁全断面掺气减蚀。研究成果将为弧形闸门出口掺气减蚀水力设计提供科学依据，保障高水头泄洪建筑物的安全运行。

关键词

高速水流 / 弧形闸门 / 空蚀破坏 / 掺气减蚀 / 泄洪洞