本文選題：高壩泄洪　切入點(diǎn)：低頻聲波　出處：《天津大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：“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(yùn)行問題一直是近年來水利工程界所關(guān)心的熱點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)制開展了系統(tǒng)的研究。本文的主要研究成果如下:(一)高壩泄洪消能的渦聲理論及渦旋發(fā)聲機(jī)理研究。高壩泄洪誘發(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(jī)理研究中,通過Green函數(shù)法、匹配漸進(jìn)展開法對渦聲方程進(jìn)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(yùn)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(jī)理。(二)高壩泄洪消能誘發(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(jī)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。(三)高壩泄洪底流消能誘發(fā)低頻聲波機(jī)理及預(yù)測模型研究。對向家壩水電站原型泄洪工況進(jìn)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(shí)現(xiàn)流場中渦結(jié)構(gòu)可視化,研究了渦量脈動特性與底流消能的渦旋發(fā)聲機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的數(shù)學(xué)預(yù)測模型與原型觀測結(jié)果吻合較好。(四)高壩挑跌流泄洪消能誘發(fā)低頻聲波多振源發(fā)聲機(jī)制研究。溢流水膜振動誘發(fā)低頻聲波的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)制確實(shí)存在,水墊塘淹沒射流和挑流水舌-空腔耦合振動這兩種發(fā)聲機(jī)制對現(xiàn)場低頻聲波的影響程度相當(dāng),挑流水舌-空腔耦合振動可誘發(fā)較寬頻域能量分布的低頻聲波�？偠灾�,無論高壩泄洪挑跌流消能還是底流消能,水流強(qiáng)紊動剪切作用區(qū)是渦旋產(chǎn)生及聚集的地方,是誘發(fā)低頻聲波的主要聲源區(qū)。在高壩挑跌流泄洪工程中還須注意挑流水舌-空腔耦合振動誘發(fā)低頻聲波這一工程問題。本文的研究為高壩泄洪工程誘發(fā)低頻聲波這一環(huán)境危害提供了理論依據(jù)、評估方法和預(yù)測手段。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TV135.2

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本文編號：1701753