高壩泄洪誘發(fā)低頻聲波原型觀測與機理研究.pdf

1、“高水頭、大流量、窄河谷、泄洪功率大”是我國水利水電工程建設(shè)的主要特征，而高壩泄洪消能設(shè)計、安全運行問題一直是近年來水利工程界所關(guān)心的熱點問題。高壩泄洪造成的下游沖刷、空蝕破壞、結(jié)構(gòu)振動及霧化等工程災(zāi)害已被人們熟知和廣泛研究，并取得了大量的技術(shù)成果，但是目前我國對高壩泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的研究基本屬于空白狀態(tài)。近年來，在向家壩、錦屏一級、溪洛渡、黃金坪等水電站現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)泄洪誘發(fā)低頻聲波產(chǎn)生的若干環(huán)境危害問題，如下游城鎮(zhèn)商店卷簾門和居民住宅

2、門窗的持續(xù)振動。為了揭示高壩泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的形成機理和關(guān)鍵影響因素，本文結(jié)合流體動力聲學(xué)理論分析、低頻聲波原型觀測分析、氣-液二相紊流數(shù)值模擬、聲學(xué)數(shù)值模擬計算等研究方法，對高壩泄洪消能的渦旋發(fā)聲機理、泄洪誘發(fā)低頻聲波現(xiàn)場分布及傳播規(guī)律、高壩泄洪底流消能誘發(fā)低頻聲波機理及預(yù)測以及高壩挑跌流泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的多振源發(fā)聲機制開展了系統(tǒng)的研究。本文的主要研究成果如下：
　?。ㄒ唬└邏涡购橄艿臏u聲理論及渦旋發(fā)聲機理研究。高壩泄

3、洪誘發(fā)低頻聲波是流體動力聲學(xué)的研究范疇，本文從流體動力聲學(xué)出發(fā)，將渦聲理論首次應(yīng)用在高壩泄洪誘發(fā)低頻聲波的機理研究中，通過Green函數(shù)法、匹配漸進展開法對渦聲方程進行了求解及理論分析，得出紊動流體輻射噪聲與渦量的大小、變化和運動情況直接相關(guān)，渦量隨時間變化的區(qū)域是有效聲源區(qū)。并以渦聲理論為基礎(chǔ)提出了高壩泄洪消能的渦旋發(fā)聲機理。
　?。ǘ└邏涡购橄苷T發(fā)低頻聲波原型觀測及傳播規(guī)律研究。分析了高壩泄洪底流消能和挑跌流消能現(xiàn)場原型觀

4、測低頻聲波的沿程分布規(guī)律及時頻域特性，研究了低頻聲波與泄洪流量流態(tài)的相關(guān)關(guān)系，比較了不同泄洪消能方式下低頻聲波特性的異同，利用大氣吸收機制研究了低頻聲波的傳播及衰減規(guī)律，并從水力學(xué)角度出發(fā)分析了原型觀測和水力學(xué)模型試驗中邊壁脈動壓力與低頻聲波的相關(guān)關(guān)系。
　?。ㄈ└邏涡购榈琢飨苷T發(fā)低頻聲波機理及預(yù)測模型研究。對向家壩水電站原型泄洪工況進行紊流數(shù)值模擬，分析了高壩泄洪底流消能區(qū)的流場特性，并利用 Q準(zhǔn)則實現(xiàn)流場中渦結(jié)構(gòu)可視化，研

5、究了渦量脈動特性與底流消能的渦旋發(fā)聲機理，結(jié)合渦聲理論、紊流模型、原型觀測結(jié)果建立高壩底流消能誘發(fā)低頻聲波強度的數(shù)學(xué)預(yù)測模型。研究結(jié)果表明，底流消能區(qū)主流水舌與旋滾區(qū)交界處的強剪切層是渦量脈動最劇烈的區(qū)域，此區(qū)域渦量脈動特性與現(xiàn)場低頻聲波特性高度相關(guān)，是誘發(fā)低頻聲波的主要聲源區(qū)。建立的高壩底流消能誘發(fā)低頻聲波強度的數(shù)學(xué)預(yù)測模型與原型觀測結(jié)果吻合較好。
　?。ㄋ模└邏翁舻餍购橄苷T發(fā)低頻聲波多振源發(fā)聲機制研究。溢流水膜振動誘發(fā)低頻

6、聲波的機理并不完全適用于我國的高壩挑跌流工程。根據(jù)錦屏一級水電站低頻聲波原型觀測結(jié)果，提出從水墊塘淹沒射流和挑流水舌-空腔耦合振動兩個角度出發(fā)研究高壩挑跌流泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的多振源發(fā)聲機制。結(jié)合紊流數(shù)值模擬與渦聲理論研究水墊塘淹沒射流誘發(fā)低頻聲波機理，利用聲學(xué)數(shù)值模擬方法研究挑流水舌-空腔耦合振動誘發(fā)低頻聲波機理，并根據(jù)原型觀測結(jié)果開展了高壩挑跌流泄洪消能誘發(fā)低頻聲波的多振源影響分析。研究結(jié)果表明，多振源發(fā)聲機制確實存在，水墊塘淹沒