孔板厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響關(guān)系計(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，具體涉及一種孔板厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影 響關(guān)系計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著水電事業(yè)的快速發(fā)展，在水電工程項(xiàng)目中，高壩的使用越來(lái)越多，根據(jù)期刊 《水利學(xué)報(bào)》2006年的37(12)刊中的論文《我國(guó)高壩濺射的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)》的記載內(nèi) 容，四川省錦屏一級(jí)水電項(xiàng)目和雙江口水電站，它們的大壩高度分別達(dá)到了 305m和315m。 如此高的大壩，其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，以保護(hù) 大壩及下游河道的安全，一直是擺在廣大水電工作者面前的一大重要課題。
[0003] 如圖1所示，孔板消能借助其特殊的體型，使得水流經(jīng)過(guò)孔板時(shí)會(huì)產(chǎn)生突縮和突 擴(kuò)，從而形成強(qiáng)紊動(dòng)和強(qiáng)剪切，以達(dá)到消能的目的?？装寰哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、消能效率 高的特點(diǎn)，在未來(lái)水電消能中有著重要的應(yīng)用前景。
[0004] 國(guó)內(nèi)外圍繞著孔板消能的水力學(xué)特性開(kāi)展了大量的研究工作，其研究領(lǐng)域也主要 聚焦在孔板的能量損失系數(shù)及初生空化數(shù)，孔板的能量損失系數(shù)體現(xiàn)了孔板的消能效率， 孔板的初生空化數(shù)體現(xiàn)了孔板抗空蝕破壞的能力。已有的研究表明，孔板能量損失系數(shù)越 大，則孔板的消能效果越好；孔板的初生空化數(shù)越大，孔板也越容易遭受到空蝕破壞。
[0005] 根據(jù)期刊《Flow Measurement and Instrumentation》在 I"8 年 8 ⑵刊中由 Kim等人發(fā)表的論文〈〈Effects of cavitation and plate thickness on small diameter ratio orifice meters》記載的內(nèi)容，以及 Takahashi 和 Matsuda 在論文《Cavitation characteristics of restriction orifices》中記載的內(nèi)容可知，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β密切相關(guān)（β = d/D，其中d是孔板的直徑，D是泄洪 洞直徑），β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。
[0006] 根據(jù)期刊《水利發(fā)電學(xué)報(bào)》在1994(3)刊中論文《孔板消能工的體型對(duì)隧洞泄洪消 能的影響》的記載內(nèi)容，以及期刊《水利水電技術(shù)》在1993(6)刊中的論文《多級(jí)孔板消能系 數(shù)問(wèn)題探討》的記載內(nèi)容可知，當(dāng)雷諾數(shù)小于IO 5數(shù)量級(jí)時(shí)，孔板的初生空化數(shù)及能量損失 系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大有少量的增大趨勢(shì)。又根據(jù)期刊《四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）》在 2001年33(3)刊中論文《消能孔板空化特性的數(shù)值模擬》的記載內(nèi)容，以及期刊《說(shuō)動(dòng)力學(xué) 壓就與進(jìn)展》在1987年Α2(3)刊中的論文《管流中孔板消能的試驗(yàn)研究》的記載內(nèi)容可知， 當(dāng)雷諾數(shù)大于IO 5數(shù)量級(jí)時(shí)，雷諾數(shù)對(duì)孔板的能量損失系數(shù)及初生空化數(shù)幾乎無(wú)影響，此時(shí) 可忽略雷諾數(shù)對(duì)能量損失的影響。
[0007] 目前，關(guān)于孔板孔徑比與其能量損失系的關(guān)系，基本上取得了一致的認(rèn) 識(shí)，并且普遍比較認(rèn)同《實(shí)用流體阻力手冊(cè)》中的孔板能量損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式 I =[1 + 0.707^/1-(i//0)： ~(cUDy f (其中d是孔板的直徑，D是泄洪洞直徑）。但是該孔板 能量損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式只考慮了孔徑比對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響，并沒(méi)有充分考慮孔 板的厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響。根據(jù)期刊《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》在2010年26 (6) 刊中論文《孔板后回流區(qū)長(zhǎng)度豎直模擬研究》的記載內(nèi)容，孔板的厚度不但是孔板與洞塞劃 分的重要考慮因素，而且孔板厚度直接影響到孔板回流區(qū)的長(zhǎng)度。根據(jù)期刊《Journal of hydraulic research》在 2010 年 48 (4)刊中論文《Head loss coefficient of orifice plate energy dissipaters》的記載內(nèi)容，孔板回流區(qū)內(nèi)水流大量旋滾和剪切，是孔板消能 的重要源地，因此，孔板厚度勢(shì)必對(duì)孔板的能量損失系數(shù)產(chǎn)生影響。忽視厚度對(duì)孔板能量損 失系數(shù)的影響是不夠科學(xué)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種計(jì)算簡(jiǎn)單精確的孔板 厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響關(guān)系計(jì)算方法。
[0009] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種孔板厚度對(duì)孔板能量損失系 數(shù)的影響關(guān)系計(jì)算方法，其特征在于包括以下步驟：
[0010] 孔板能量損失系數(shù)的定義公式為：
[0012] 公式（1)中，ξ為孔板能量損失系數(shù)，？1為孔板前0. f5D處的泄洪洞斷面平均壓強(qiáng)， D為泄洪洞直徑，？2為孔板后水流恢復(fù)斷面的平均壓強(qiáng)，P為水流密度，u為孔板末端空口 斷面的平均流速；
[0013] 孔板能量損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為：
[0015] 公式（2)中，d為孔板直徑；
[0016] 步驟一、在能夠忽略雷諾數(shù)Re對(duì)能量損失系數(shù)ξ的數(shù)值區(qū)間Re > Re。條件下， 在孔徑比β范圍P1S β < β 2及厚徑比α范圍a α < α 2內(nèi)選取具有不同孔徑比 值和厚徑比值的多組工況條件，利用RNG k-ε計(jì)算模型分別計(jì)算多組工況條件下對(duì)應(yīng)的孔 板能量損失系數(shù)，從而獲取一孔板能量損失系數(shù)數(shù)組；
[0017] 其中，α = T/D，β = d/D，T為孔板厚度；
[0018] Re = sDA μ / P )，s為泄洪洞內(nèi)水流的平均流速，μ為水流動(dòng)力粘度；
[0019] 步驟二、根據(jù)步驟一中獲取的孔板能量損失系數(shù)數(shù)組中的數(shù)據(jù)，繪制孔板能量損 失系數(shù)與孔徑比、厚徑比的關(guān)系曲線；
[0020] 步驟三、在孔板能量損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式（2)的基礎(chǔ)上，擬合步驟二中的孔板能 量損失系數(shù)與孔徑比、厚徑比的關(guān)系曲線，從而獲取孔板厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響 關(guān)系方程：
[0022] 公式⑶適用的范圍為：β A β彡β 2，α A α彡α 2且Re > Re 0;
[0023] 步驟四、根據(jù)公式（3)即能夠計(jì)算孔板厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響關(guān)系。
[0024] 在0.4彡β彡0·8,0·5彡α彡2.0且Re> IO5的條件下，孔板厚度對(duì)孔板能量 損失系數(shù)的影響關(guān)系的計(jì)算公式為：
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明中孔板厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的 影響關(guān)系計(jì)算方法，利用RNG k-ε計(jì)算模型對(duì)孔板能量損失系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并在 此基礎(chǔ)上，對(duì)《實(shí)用流體阻力手冊(cè)》中的孔板能量損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式進(jìn)行修正，從而獲取 孔板厚度與孔板能量損失系數(shù)之間的關(guān)系方程，根據(jù)該關(guān)系方程的計(jì)算可以獲取孔板厚度 對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響，同時(shí)利用該關(guān)系方程可以計(jì)算獲得更加準(zhǔn)確的孔板能量損失 系數(shù)，為應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中孔板能量損失系數(shù)的確定。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中平頭孔板內(nèi)的水流示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中孔板在泄洪洞中的坐標(biāo)示意圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中根據(jù)表格1中的數(shù)據(jù)繪制成的擬合曲線。
[0029] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中根據(jù)表格2和表格3中的數(shù)據(jù)繪制成的對(duì)比擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0031] 孔板能量損失系數(shù)的計(jì)算公式可以采用現(xiàn)有技術(shù)中通用的定義公式，該定義公 式在期刊《Journal of hydraulic research》2010 年 48 (4)刊中的論文《Head loss coefficient of orifice plate energy dissipaters〉〉中也有記載。
[0032] 孔板能量損失系數(shù)的定義公式為：
[0034] 公式（1)中，ξ為孔板能量損失系數(shù)，？1為孔板前0. f5D處的泄洪洞斷面平均壓強(qiáng)， D為泄洪洞直徑，p2為孔板后水流恢復(fù)斷面的平均壓強(qiáng)，一般認(rèn)為在孔板后3D處的斷面水 流就會(huì)恢復(fù)其正常流態(tài)，P為水流密度，u為孔板末端空口斷面的平均流速。
[0035] 《實(shí)用流體阻力手冊(cè)》中記載，孔板能量損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為：
[0037] 公式（2)中，d為孔板直徑。由公式（2)可以看出，孔板能量損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式只 考慮孔徑比d/D對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響，該公式中并未涉及孔板厚度與孔板能量損失 系數(shù)的關(guān)系。
[0038] 本實(shí)施例中孔板厚度對(duì)孔板能量損失系數(shù)的影響關(guān)系計(jì)算方法，具體以下步驟：
[0039] 步驟一、在能夠忽略雷諾數(shù)Re對(duì)能量損失系數(shù)ξ的數(shù)值區(qū)間Re > Re。條件下， 在孔徑比β范圍P1S β < β 2及厚徑比α范圍a α &