消力池內(nèi)部水流動量對水噪聲的影響

柴雪　郭維東　管福瑞　蘆曉峰　胡艷　隋吉慶　張曉琳　何永鵬　姜濤

摘 要：為探索水流在消力池產(chǎn)生的水噪聲隨水流動量大小的變化規(guī)律，通過物理模型試驗(yàn)分析消力池內(nèi)部水流動量對水流聲壓級的影響。結(jié)果表明：水流聲壓級隨水流動量的增大而增大，二者成線性相關(guān)關(guān)系，且水流動量變化的幅值越大，其產(chǎn)生的水噪聲聲壓級越大;應(yīng)用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件得到消力池內(nèi)部水流動量與聲壓級的擬合曲線;根據(jù)能量守恒原理，減小的動能部分以振蕩能的形式存在，這其中就包含人耳所聽到的水噪聲。擬合曲線為水噪聲的預(yù)測工作提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：消力池;水流動量;聲壓級;水噪聲;模型試驗(yàn)

中圖分類號：TV131.61?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.019

Influence of Flow Momentum on Water Noise in the Stilling Basin

CHAI Xue1， GUO Weidong1， GUAN Furui2， LU Xiaofeng1， HU Yan3， SUI Jiqing3， ZHANG Xiaolin3， HE Yongpeng1， JIANG Tao1

（1.School of Water Conservancy， Shenyang Agricultural University， Shenyang 110161， China;

2.Northeast Yucai School， Shenyang 110000，China;

3.Shenyang Shunyuande Engineering Consulting Co.， Ltd.， Shenyang 110000， China）

Abstract： In order to explore the variation rule of water noise with flow momentum under law Froude number， the influence of water flow momentum on the sound pressure level in the stilling pool was analyzed by means of physical model experiment.The results show that the sound pressure level increases with the increase of water flow momentum， and there is a linear positive correlation between them. SPSS is used to obtain the fitting curve of water flow momentum and sound pressure level at the inlet of the stilling basin. According to the principle of energy conservation， the reduced kinetic energy is converted into heat and dissipated， and some are dissipated in the form of oscillatory energy， which includes the water noise heard by the human ear. The prediction of water noise of fitting curve provides theoretical basis， which shows that curve fitting has practical significance.

Key words： stilling basin; flow momentum; pressure level; water noise; physical model experiment

國內(nèi)學(xué)者對水工建筑物產(chǎn)生的水噪聲問題進(jìn)行了很多研究，大多集中于水工建筑物樣式和尺寸以及水流流量、流速等對水噪聲的影響，還未涉及水流動量這一影響因素。消力池是一種促使水流在泄水建筑物下游產(chǎn)生底流式水躍的消能設(shè)施，它起到了消能的作用，對應(yīng)點(diǎn)位卻伴隨著較大的聲壓級，水噪聲現(xiàn)象較為明顯。張?jiān)魄宓萚1]采用模擬試驗(yàn)的方法探討比較3種跌坎的聲壓級，分析表明銳角跌坎降噪效果顯著;胡志華[2]分析影響消力池內(nèi)水流噪聲的因素，并進(jìn)行回歸分析表明，堰型、消力池長度均對消力池內(nèi)水流聲壓級有一定影響;郭維東等[3]采用模型試驗(yàn)的方法對溢流堰的聲壓級影響因素進(jìn)行研究，分析表明噪聲的最大值出現(xiàn)在消力池;郭維東等[4]在不同條件下對橡膠壩下泄水流水噪聲進(jìn)行測量，分析表明聲壓級與消力池尾坎、長度呈正相關(guān)關(guān)系。國外學(xué)者大多研究的是高流速的空化噪聲和潛艇水噪聲，對于消力池聲場的水噪聲問題研究甚少，更未涉及水流動量對水噪聲的影響。

單一的水流流量或者流速作為控制因素來研究水噪聲的變化具有局限性，而動量可有效地將二者結(jié)合起來。筆者采用物理模型試驗(yàn)的方法來探索水噪聲隨水流動量的變化規(guī)律，以期為今后水噪聲的消除工作提供理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 模型比尺

原型采用丹東愛河分流堰改建工程物理模型試驗(yàn)方案中的堰閘結(jié)合方案的尺寸。由于閘孔出流的作用力主要是重力，因此根據(jù)重力（弗勞德）相似準(zhǔn)則，確定長度比尺為λl=30，再根據(jù)長度比尺計(jì)算其他物理量尺寸。

1.2 模型布置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)主要由供水首部、試驗(yàn)水槽、平水設(shè)施、平板水閘（沿豎直軌道上下移動的擋水閘門）、量水堰、泵及管路組成。閘門設(shè)計(jì)為胸墻式平板閘門，高度為266 mm，最大開度為167 mm，胸墻高度為325 mm。通過在相鄰閘墩頂部安裝有機(jī)玻璃板并用螺母調(diào)節(jié)閘門高度，用空心塑料板作為底板，消力池采用底流消能形式。試驗(yàn)在由鋼架固定的鋼化玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)斷面為矩形斷面，水槽由進(jìn)水段、工作段、出水段三部分組成，工作段水槽可通過透明鋼化玻璃對試驗(yàn)進(jìn)行觀察，進(jìn)水段及出水段均采用混凝土結(jié)構(gòu)。鋼化玻璃水槽長10 m、寬0.4 m、高0.8 m，底部鋪設(shè)砂墊層以滿足設(shè)計(jì)高程要求;為防止雜物進(jìn)入水箱，在尾水池特設(shè)攔污柵。水閘模型剖面見圖1，水閘模型平面見圖2，水循環(huán)系統(tǒng)見圖3。

3 結(jié) 語

采用物理模型試驗(yàn)的方式研究了消力池內(nèi)部流速和聲壓級的變化，將水流動量變化作為自變量、產(chǎn)生的聲壓級作為因變量來分析，得到如下結(jié)論。

（1）水流經(jīng)閘孔流經(jīng)消力池后流速突增，且發(fā)生底流式水躍后流速減小;聲壓級在消力池進(jìn)口處的增大速率較大，且在消力池內(nèi)部于最大值附近波動，減小的速率緩慢。

（2）水流動量變化與聲壓級呈線性相關(guān)關(guān)系，聲壓級隨著水流動量變化的增大而增大，且水流動量變化的幅值越大，產(chǎn)生的水噪聲聲壓級越大，其擬合關(guān)系式為LP=0.387ΔM+76.259。

（3）前人對于水噪聲的研究未涉及水流動量變化這一影響因素，而動量變化可以較好地量化水流產(chǎn)生的噪聲值。在實(shí)際工程中，應(yīng)用水流動量變化來預(yù)測水噪聲的大小具有可行性。

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【責(zé)任編輯 馬廣州】

收稿日期：2019-12-03

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31200392）;遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2015048）

作者簡介：柴雪（1994—），女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動力學(xué)

通信作者：郭維東（1969—），男，遼寧朝陽人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動力學(xué)

E-mail：gwdly@163.com