高速水流水力特性原型观测的涂层痕迹法初探

万继伟，牛争鸣，路洪波

高速水流水力特性原型观测的涂层痕迹法初探

万继伟，牛争鸣，路洪波

（西安理工大学水利水电学院，西安 710048）

对常规原型观测的方法和技术进行了评述，指出高速水流特性原型观测存在的一些难点与不足，提出用新的涂层痕迹法进行高速水流水力特性原型观测的基本原理和技术方法，并结合室内试验研究和在工程中的初步应用，论述了这种方法技术的可行性。同时还探讨了该方法技术进一步研究的内容和技术路线，展望了应用前景。关键词：高速水流；原型观测；涂层痕迹法；室内试验；工程应用

1 概 述

为了确保水利水电工程的安全运行，需要对泄水建筑物的水力特性（雾化、掺气、振动、空蚀、脉动等）进行原型观测与适时监测，并通过原型观测和监测检验验证设计与研究的成果，促进新技术的推广，及时监测与发现问题，采取有效的工程或技术措施避免事故的发生，直接为工程的运行管理、优化调度服务，使其安全运行的效益最大化［1］。

近些年来，我国具有代表性的原型观测主要有：二滩水电站高双曲拱坝水力学及流激振动原型观测、东风水电站水力学原型观测、天生桥Ⅰ级水电站原型观测、隔河岩大坝消力池消能工水力学原型观测、小浪底孔板消能泄洪洞和公伯峡水电站旋流泄洪洞水力学原型观测等。在这些原型观测工作中，获取了大量非常宝贵的在高速水流条件下泄水建筑物的振动、下游冲刷、雾化与空化空蚀等方面的资料，受到国际水力学界的关注，为解决高坝大流量工程设计中的关键性技术问题、进一步推动高坝水力学理论研究和开发西部水电能源建设积累了重要经验［2］。如1997年对东风水电站进行的水力学原型观测，在国内第一次实现了在水电站泄洪时对雨雾强度和可见度的观测；又如二滩水电站高双曲拱坝水力学及流激振动原型观测检验了工程设计首创采用坝身泄水水流对撞落入水垫塘消能，适用于小底坡低佛氏数的“U”型掺气坎等多项新技术，特别是雾化定量的观测成果，对我国在建和拟建的300 m级（如小湾、溪洛渡、锦屏等）高拱坝泄洪建筑物的设计和运行具有非常重要的参考价值。

伴随电子信息技术、自动化、材料等领域的发展，用于水工水力学原型观测的各测量软硬件设备的技术参数也得到了很大的提升，使得观测的项目更加全面、数据更加精确。但实践表明，高速水流特性的原型观测对观测的设备仪器及技术参数有很高的要求，甚至有些还不能完全满足高速水流特性原型观测的需要［3］。

作为一种新的高速水流特性原型观测的方法和技术的探讨，本文将分析目前高速水流特性原型观测存在的难点与观测方法的不足，介绍涂层痕迹法进行高速水流水力特性原型观测的基本原理，结合实验研究和工程应用研究综合分析该法的可行性。

2 高速水流水力特性原型观测存在的问题

目前通过使用常规的观测仪器与设备能较好地完成原型脉动压力、空化噪声、掺气、水温、流速、水位、通气量等一般的常规水力学观测项目的原型观测，对泄洪雾化、挑距等的观测技术也都较为成熟。但是对高速水流水力特性的原型观测，仍然存在着技术方法不够成熟、技术设备或观测手段难以适应的现场观测条件，观测费用很高和准备期较长等问题，主要表现在：

（1）高速水流的流场敏感性很强，容易受到布置的观测仪器传感器探头的干扰，从而对原型流场的某些重要参数（如流态、流速、空化空蚀）造成人为的改变。

（2）高速水流的特性变化复杂，对观测仪器的适应性与性能要求很高。要求其具有很高的抗干扰性能、很强的适应性和较高的灵敏度，而现有的观测仪器很难满足全部适应性与性能要求。

（3）受观测费用等因素的影响，观测点布置非常有限，因此原型观测的信息采集量少，连续性差，观测成果的规律性不明显，系统性不强。

（4）泄水建筑物过流壁面上体型局部有较大的改变时，例如突扩、突缩、挑坎、跌坎、局部突体等位置，水力特性变化剧烈，正确的测点难以把握，因此无法准确布置观测仪器或投鼠忌器，不敢在敏感位置布置观测仪器进行观测。但这些位置往往是易于出现空化的部位，是最需要进行观测的地方。

（5）用常规的观测仪器和方法进行原型观测的费用成本很高，观测设备需要在施工阶段预先埋置，前期准备时间长，且极易在施工过程中损坏或失效。

因此，现行的水力学原型观测方法用于高速水流水力特性的原型观测时，特别是进行特殊部位的空化空蚀的原型观测时，在时间、空间上都受到了较大的限制，无法得到理想的原型观测的效果，但所花费的费用与精力都是很高的。这就要求我们在高速水流水力学特性的原型观测的观测手段和方法上要有所创新。

3 涂层痕迹法的基本原理

针对上述高速水流水力特性的原型观测中存在的问题，结合公伯峡旋流泄洪洞水力特性的原型观测，我们提出了一种新的观测方法和技术——涂层痕迹法［2，4］。涂层痕迹法是将制备在泄水建筑物过流壁面上的涂层材料的力学特性与高速水流的边界层的水力特性相结合，用高速水流作用在涂层材料上所产生的痕迹特性与特征，来定性与定量地观测高速水流特性的一种新的技术和方法。涂层痕迹是高速水流与固体涂层相互作用的结果，当水流边界层壁面剪切力或水流空蚀破坏强度大于涂层材料的抗剪切能力与抗空蚀强度时，涂层就会发生破坏而留下痕迹；如果涂层材料的力学特性随速度或空化强度的变化具有某种梯度关系，不同的涂层痕迹的特性与特征就可反映出这种对应的关系；在涂层材料中添加对水流含气量或温度变化反应敏感的相关材料也能经过液固相互作用后留下相应痕迹。这就是涂层痕迹法进行高速水流水力特性原型观测的基本原理。用涂层痕迹法进行高速水流水力特性原型观测的技术方法为：

（1）通过室内试验，选择可用于高速水流水力特性原型观测的涂层材料与配比，研究涂层材料的力学特性，研究涂层（试件）随速度或空化强度变化的关系等；

（2）在泄水建筑物上制备这种具有随速度或空化强度的变化关系的涂层，泄水建筑物过水后，对其涂层痕迹进行物理量测，如涂层痕迹的长短、深浅、面积、范围、方向等，并对涂层痕迹进行摄像和分析处理；

（3）用相同材料与方法制备涂层试件，采用分级变化的速度或空化强度进行涂层痕迹的反演室内试验、涂层痕迹摄像和分析处理；

（4）对比原型观测和反演试验得到的涂层痕迹的特性和特征及图像分析与处理的特性和特征，确定泄水建筑物的原型观测的水力特性，例如空蚀、旋流角、壁面剪切力、水温、含气量、壁面流速及其沿程变化规律等。

4 涂层痕迹法的室内试验及在工程中的初步应用

4．1 涂层痕迹法的室内试验研究

根据现有实际工程项目运行结果统计，大多数工程泄水最大流速基本在30～50 m／s量级。本实验设计制作了一套最大流速为32 m／s的有压高速水流冲刷系统。系统由高压水泵、稳压段、高压管路、喷嘴、实验段、消能扩散段、量水堰及回水管路、地下水库组成。

为使涂层材料具有较明显的痕迹，涂层材料应具有脆性变形特性，涂层在结构组成上要均匀、连续和满足各向同性。选材的基本技术路线为：按照在30m／s量级流速的冲刷下，既能粘得住，又能冲得掉的基本原则，试验初步选择了十几种材料、粘结剂和添加剂，按一定的配合比，在混凝土试件的表面上涂刷形成几十组涂层试件，进行选材阶段冲刷试验，具体选材论证参见文献［4，5］。根据对冲刷后的涂层的粘附力、冲刷痕迹的清晰程度、沟槽的深度等因素的综合定性判断，最后选定原型观测的基本涂层材料与配比。

根据上面的选材配比试验的结果，试验制备系列不同配比的涂层试块进行速度32 m／s量级的高速水流冲刷痕迹和痕迹重复性验证试验（冲刷结果如图1所示），研究用于原型观测的涂层材料的力学特性，研究涂层（试件）随速度或空化强度的变化的关系，研究涂层痕迹的图像分析与处理方法等。

图1 涂层冲刷痕迹Fig．1 The eroded trace of coating

4．2 工程应用研究

2006年我们采用涂层痕迹法结合室内反演试验和涂层痕迹的图像的对比分析与处理，成功地进行了公伯峡水电站旋流内消能泄洪洞水力学特性原型观测［4］。原型观测结果表明，在许多涂层试块上留下的痕迹比较明显而且具有一定的规律性。

图2所示为用涂层痕迹法得到的旋流角的沿程观测结果，表1为旋流洞段近壁面的流速观测结果。由图2与表1可见，涂层痕迹法原型观测与水工模型试验所得的旋流角基本一致，旋流洞壁面流速与模型试验所测数据吻合也较好。反演试验涂层痕迹与原型观测中涂层痕迹的形状非常相似，原型的涂层冲刷痕迹也得到了很好的重现。

图2 原型观测得到的涂层痕迹图像Fig．2 The coating trace image by prototype observation

图3 旋流夹角沿程观测比较图Fig．3 Comparison of included angles of rotary flow along regulation observation

因此通过这种方法和技术的初步研究和应用证明，用本文所述的涂层痕迹法对原型的部分水力特性的定性和定量观测是可行的，但要作为一种能普遍使用的技术与方法，尚需要深入系统的基础研究与原型观测实践。

表1 旋流洞壁面流速量测值对比Table 1 Comparison of observed wall surface flow velocities in rotary flow tunnel

5 结 语

我国原型观测在研究和技术设备方面都取得了可喜的成果，但由于高速水流本身具有复杂的特性，促使我们必须在观测的技术方法上进行创新。

涂层痕迹法对高速水流的流场干扰很小，有较强的适应性；可布置较多观测点和在体型局部有较大的改变或敏感位置布置观测点进行观测；费用成本很低，无需在施工阶段预先埋置。这种方法和技术可弥补现有观测方法和技术的不足，经初步研究和工程应用证明是可行的。

高速水流边界层理论，材料力学应力与应变关系及高速水流的近壁水力特性与涂层材料的力学特性的相互作用原理是研究这种方法的理论基础。基础涂层材料的力学特性，涂层（试件）随速度或空化强度变化的关系等方面的基础研究是这种方法的技术基础，涂层痕迹的反演试验和涂层痕迹的图像分析处理是实现原型水力特性正确观测的关键。

可进一步研发涂层痕迹系列观测材料，包括速度梯度材料，壁面温度感应梯度材料，空化与空蚀初生感应梯度材料和掺气量感应梯度材料等，用于不同水力特性的观测与分析。

在研究技术路线上，应当结合材料力学、水力学、图像处理和分析、化学等多学科综合进行理论和实验研究，并通过大量的工程实际应用研究，整理出较完整的与流速、壁面压力、冲刷、空蚀、磨损等水力特性对应的涂层痕迹特征图集，促进该项技术应用推广，为工程建设服务。

［1］ 陈钦亮．原型观测的重要性及投资问题［J］．水力发电，1992，（1）：42－43．（CHEN Qin-liang．The Impor-tance and the Issue of Investmentof Prototype Observation［J］．Water Power，1992，（1）：42－43．（in Chinese））

［2］ 万继伟，牛助农，牛争鸣．水工泄水建筑物水力学原型观测方法和技术［J］．电网与清洁能源，2008，24（3）：58－61．（WAN Ji-wei，NIU Zhu-nong，NIU Zheng-ming．Hydraulic Technique and Methods of Prototype Ob-servation for Hydraulic Engineering Structures［J］，Power System and Clean Energy，2008，24（3）：58－61．（in Chinese））

［3］ 李桂芬．水工水力学研究进展与展望［J］．中国水利水电科学研究院学报，2008，6（3）：183－190．（LIGui-fen．Advance and Prospect in Research on Engineering Hydraulics．Journal of China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，2008，6（3）：183－190．（in Chinese））

［4］ 牛争鸣，洪 镝，张浩博，等．用涂层痕迹法进行高速水流原型观测的探讨［C］∥水力学与水利信息学进展，南京：河海大学出版社，2007：388－394．（NIU Zheng-ming，HONG Di，ZHANG Hao-bo，et al．Coating Trace Method Based on Prototype Observation of High-Speed Flow［C］∥Advance in Hydraulics and Hydroinfor-matics in China，Nanjing：Hohai University Press，2007：388－394．（in Chinese））

［5］ 公伯峡水电站建设公司．公伯峡水电站工程右岸旋流泄洪洞水力特性的原型观测总结报告［R］．青海：公伯峡水电站建设公司，2006．（Gongboxia Hydropower Sta-tion Construction Company．Prototype Observation Report of Rotary Flow Hydraulic Characteristics of Flow Dis-charge Tunnel at the Right Bank of Gongboxia Hydropow-er Station［R］．Qinghai：Gongboxia Hydropower Station Construction Company，2006．（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Coating Trace M ethod Adopted in Prototype Observation of Hydraulic Characteristics of High-Speed Flow

WAN Ji-wei，NIU Zheng-ming，LU Hong-bo
（Institute ofWater Resources and Hydroelectric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China）

By reviewing themethods and techniques of conventional prototype observation，this paper pointed out that difficulties and shortcomings exist in the prototype observation of high-speed flow characteristics．The basic principles and techniques of new coating tracemethod were proposed to solve these problems in the prototype obser-vation，and the technical feasibility of thismethod was expounded based on laboratory experiment and preliminary application in engineering．Finally，the paper probed into the content and the technologyway for further study，and looked into its application prospect．

high-speed flow；prototype observation；coating trace method；laboratory experiment；application in engineering

TV698．12

A

1001－5485（2011）04－0071－04

2010-12-05

陕西省重点学科建设专项资金资助项目

万继伟（1983-），男，重庆黔江人，博士研究生，主要从事高速水力学研究，（电话）13474359676（电子信箱）sin45jerry＠sina．com。