高水头船闸阀门底缘掺气减蚀研究

Cavitation of valve section of the water delivery system in the high head ship lock has been one of the key problems in engineering design and the study of hydraulics. Sudden expansion behind the door and lintel ventilation and other measures is used to alleviate cavitations.But found by the prototype observation,in one hand, the sudden expansion form a new source of cavitation in the liter ridge,and in the other hand , the lintel ventilation can not effectively reach the edge of the valve end, then the valve bottom edge and the door shear zone cavitation has become a new problen. Further analysis revealed that the continuous ventilation at the edge at the end of the valve can solve the above problems fundamentally.But, bottom edge is moveing while the valve working,the old shape can not form a stable negative pressure, need to optimize. This project intends to use the three-dimensional numerical simulation method to further understand the water structure and the avitation mechanism while the valve working ,choose a better type of bottom edge which can form stable negative pressure to provid a ventilation conditions at during openning the valve, and use the physical model to verify and optimize, proposed a new type of the bottom and a new aeration measure of the high head ship lock.

高水头船闸输水系统阀门段空化空蚀问题一直是工程设计和水力学研究的关键问题之一。目前工程中多采用的门后突扩体型结合门楣通气措施可使空蚀得到一定的缓解。但近年的原型观测发现，随着船闸设计水头的提高，突扩体型一方面在升坎处形成了新的空化源，另一方面由于门楣通气到达阀门底缘的气量有限，阀门底缘和门后突扩腔水流剪切带空化也成为了新的困扰。分析发现，若能在阀门底缘处持续通气，上述问题便可得到根本解决。而阀门底缘是不断运动的，持续通气所需的稳定负压条件以往的体型都无法满足，需进行改进。本课题先通过三维数值模拟的方法，进一步了解阀门启闭过程中的阀门段水流结构及空化机理，优化底缘型式，使阀门在启闭过程中底缘处均能形成稳定负压，保证通气条件，再进一步通过大比尺物理模型进行系列试验验证与优化，提出适应高水头船闸的新型阀门底缘型式与掺气减蚀措施。

高水头船闸输水系统阀门段空化空蚀问题一直是工程设计和水力学研究的关键问题之一。在我国，目前工程中多采用加大阀门段埋深、阀门后突扩体型结合门楣通气措施解决高水头船闸阀门段空化空蚀问题。但近年的原型观测发现，门楣掺气的方法对消除门楣缝隙空化效果显著，但因到达阀门底缘的气量有限，对减免阀门底缘空化效果不明显，使得高水头船闸仍需采用较大的阀门段埋深，增加工程难度和造价。另外随着船闸设计水头的不断提高，为解决阀门底缘空化而采用的阀门后突扩体型，又易在跌坎、升坎处形成新的空化源，成为输水阀门段新的危害因素。分析发现，若能在阀门底缘处设置掺气设施，通过向阀门后剪切带持续通气，使阀门后剪切带形成一定浓度的掺气水流，即可通过底缘掺气根本解决阀门底缘空化问题，进而达到放弃阀门后突扩体型以规避跌坎、升坎空化以及提高阀门段布置高程以降低工程造价的目的。而阀门底缘是不断运动的，持续通气所需的稳定负压条件，以往的底缘型式都无法达成，需进行底缘掺气体型研究。本课题先通过三维数值模拟的方法，了解阀门启闭过程中的阀门段水流结构及空化机理，探寻底缘体型对流场的影响，找到了使阀门在启闭过程中易出现空化的区间、底缘处能形成稳定负压、具备通气条件的底缘型式，再进一步通过船闸物理模型进行系列试验验证与优化，提出了可按需稳定掺气且掺气量足够的新型阀门底缘型式，真正实现了掺气与底缘空化的自适应。研究确定的阀门底缘掺气优化体型，解决了在船闸充泄水运行过程中不断运动的阀门底缘自然掺气的难题，可起到减小阀门段埋深、简化阀门段体型，为未来船闸水头的进一步提高奠定基础。