消力池内部水流动量对水噪声的影响

柴雪　郭维东　管福瑞　芦晓峰　胡艳　隋吉庆　张晓琳　何永鹏　姜涛

摘 要：为探索水流在消力池产生的水噪声随水流动量大小的变化规律，通过物理模型试验分析消力池内部水流动量对水流声压级的影响。结果表明：水流声压级随水流动量的增大而增大，二者成线性相关关系，且水流动量变化的幅值越大，其产生的水噪声声压级越大;应用SPSS数据分析软件得到消力池内部水流动量与声压级的拟合曲线;根据能量守恒原理，减小的动能部分以振荡能的形式存在，这其中就包含人耳所听到的水噪声。拟合曲线为水噪声的预测工作提供了理论基础。

关键词：消力池;水流动量;声压级;水噪声;模型试验

中图分类号：TV131.61   文献标志码：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

国内学者对水工建筑物产生的水噪声问题进行了很多研究，大多集中于水工建筑物样式和尺寸以及水流流量、流速等对水噪声的影响，还未涉及水流动量这一影响因素。消力池是一种促使水流在泄水建筑物下游产生底流式水跃的消能设施，它起到了消能的作用，对应点位却伴随着较大的声压级，水噪声现象较为明显。张云清等[1]采用模拟试验的方法探讨比较3种跌坎的声压级，分析表明锐角跌坎降噪效果显著;胡志华[2]分析影响消力池内水流噪声的因素，并进行回归分析表明，堰型、消力池长度均对消力池内水流声压级有一定影响;郭维东等[3]采用模型试验的方法对溢流堰的声压级影响因素进行研究，分析表明噪声的最大值出现在消力池;郭维东等[4]在不同条件下对橡胶坝下泄水流水噪声进行测量，分析表明声压级与消力池尾坎、长度呈正相关关系。国外学者大多研究的是高流速的空化噪声和潜艇水噪声，对于消力池声场的水噪声问题研究甚少，更未涉及水流动量对水噪声的影响。

单一的水流流量或者流速作为控制因素来研究水噪声的变化具有局限性，而动量可有效地将二者结合起来。笔者采用物理模型试验的方法来探索水噪声随水流动量的变化规律，以期为今后水噪声的消除工作提供理论基础。

1 研究方法

1.1 模型比尺

原型采用丹东爱河分流堰改建工程物理模型试验方案中的堰闸结合方案的尺寸。由于闸孔出流的作用力主要是重力，因此根据重力（弗劳德）相似准则，确定长度比尺为λl=30，再根据长度比尺计算其他物理量尺寸。

1.2 模型布置

试验模型系统主要由供水首部、试验水槽、平水设施、平板水闸（沿竖直轨道上下移动的挡水闸门）、量水堰、泵及管路组成。闸门设计为胸墙式平板闸门，高度為266 mm，最大开度为167 mm，胸墙高度为325 mm。通过在相邻闸墩顶部安装有机玻璃板并用螺母调节闸门高度，用空心塑料板作为底板，消力池采用底流消能形式。试验在由钢架固定的钢化玻璃水槽内进行，试验断面为矩形断面，水槽由进水段、工作段、出水段三部分组成，工作段水槽可通过透明钢化玻璃对试验进行观察，进水段及出水段均采用混凝土结构。钢化玻璃水槽长10 m、宽0.4 m、高0.8 m，底部铺设砂垫层以满足设计高程要求;为防止杂物进入水箱，在尾水池特设拦污栅。水闸模型剖面见图1，水闸模型平面见图2，水循环系统见图3。

3 结 语

采用物理模型试验的方式研究了消力池内部流速和声压级的变化，将水流动量变化作为自变量、产生的声压级作为因变量来分析，得到如下结论。

（1）水流经闸孔流經消力池后流速突增，且发生底流式水跃后流速减小;声压级在消力池进口处的增大速率较大，且在消力池内部于最大值附近波动，减小的速率缓慢。

（2）水流动量变化与声压级呈线性相关关系，声压级随着水流动量变化的增大而增大，且水流动量变化的幅值越大，产生的水噪声声压级越大，其拟合关系式为LP=0.387ΔM+76.259。

（3）前人对于水噪声的研究未涉及水流动量变化这一影响因素，而动量变化可以较好地量化水流产生的噪声值。在实际工程中，应用水流动量变化来预测水噪声的大小具有可行性。

参考文献：

[1] 张云清，郭维东，宓永宁.消力池水流噪声的模拟实验[J].中国科技信息，2006（10）：85-86，92.

[2] 胡志华.消力池水流噪声产生机理及影响因素研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2015：63-69.

[3] 郭维东，田茹妍，赵光昱.不同条件下橡胶坝下泄水流水噪声研究[J].中国农村水利水电，2016（3）：91-95，99.

[4] 郭维东，李晓东，胡志华.河道泄水闸下泄水流噪声特性分析[J].中国农村水利水电，2012（7）：115-117，121.

[5] 邢世录.环境噪声控制工程[M].北京：北京大学出版社，2013：35-37.

[6] 张海澜.理论声学[M].北京：高等教育出版社，2007：174-176.

【责任编辑 马广州】

收稿日期：2019-12-03

基金项目：国家自然科学基金资助项目（31200392）;辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划项目（2015048）

作者简介：柴雪（1994—），女，辽宁铁岭人，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学

通信作者：郭维东（1969—），男，辽宁朝阳人，教授，博士生导师，研究方向为水力学及河流动力学

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