摻氣減蝕設施

摻氣減蝕設施，對泄水建筑物的高速水流進行人工摻氣,以削弱空化及其潰滅壓強而使水流固體邊壁減免空蝕破壞的工程設施。例如,在易出現(xiàn)空化的溢流面上設小挑坎,坎下有通氣槽與大氣相連,急流過坎時局部脫離形成空腔,高速水流底部就會有空氣自動被卷吸摻入,水流底部含氣層使氣泡不會立即散逸;在摻氣設施下游相當長范圍內可有效防止空蝕破壞。廣泛用于高水頭泄水建筑物中。

摻氣抗蝕設施(aerators)，是使高速水流在其邊界附近摻氣以防止泄水建筑物邊壁材料空蝕破壞的工程設施的統(tǒng)稱。一般是在易發(fā)生空蝕的過水邊壁設置局部挑起、突跌、突擴等體型構造物，使急流通過時產生脫離和低壓腔，此低壓腔部位有與大氣連通的通氣孔，于是水流仍能不斷挾卷和摻入空氣。

摻氣抗蝕設施，按體型分,實用設施有挑坎式、跌坎式、跌槽式、挑跌坎式、坎槽聯(lián)合式以及平面實擴式;除最后一種主要用于高壓閘門后水流側壁摻氣外,其余五種都用于水流底部摻氣,其中有坎的常合稱為摻氣坎,有槽的又合稱為摻氣槽。摻氣能改變水流與邊壁間的壓力狀態(tài),使空泡潰滅時作用于邊壁的沖擊力大為減弱，從而起防蝕作用。但從摻氣設施處摻入的空氣仍會沿程逐漸逸出，故當高速水流流程很長時,要有多道設施。目前經驗表明，一道摻氣設施的保護長度可達50~60m。經驗還表明,以氣體積與水體積之比表示的摻氣量達5%時足可使一般混凝土邊壁有效抗蝕。水流表面自摻氣顯然可擴展至全過水斷面的部位可不必用上述設施。2100433B

通過摻氣水流特性的水槽試驗、不同氣泡尺寸的摻氣減蝕試驗、靜水中氣泡上浮試驗和摻氣水流原型與模型對比分析，對摻分減蝕中氣泡尺寸及其概率分布的特征和作用進行研究，為高壩工程設計提供更加可靠的理論依據，為摻氣減蝕研究開拓新的方向。同時，進行多級氣泡尺寸的摻氣水流數(shù)學模型和摻氣檢測儀器開發(fā)，為摻氣水流研究提供更先進的技術手段。

水利工程中泄水建筑物在下泄高速水流時常會遭受空蝕破壞。摻氣減蝕已被理論和大量的工程實踐證明是一種相對簡單、經濟和行之有效的減蝕措施。在特殊的水流及邊界條件下，不僅流道的底板，而且其邊墻也會受到空蝕破壞。采用側墻和底板聯(lián)合摻氣設施是避免泄水建筑物全過水斷面遭受空蝕破壞的一種重要途徑。由于底、側摻氣設施會相互影響，使得底側聯(lián)合摻氣設施的摻氣水流特性比單獨的底摻氣或側摻氣水流特性更為復雜。本項目研究主要采用理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬相結合的方法，對有壓洞出口突擴突跌摻氣設施和陡槽底、側聯(lián)合摻氣坎的摻氣水流特性進行研究。主要研究了突擴突跌摻氣設施水流流態(tài)、臨界工作水頭及影響因素、底側空腔長度及相互影響關系、過流底板和側墻的脈動壓力特性，水流摻氣濃度分布規(guī)律以及底板和側墻摻氣保護長度。對明流陡槽，主要研究了自摻氣水流特性、單獨側摻氣坎和底摻氣坎摻氣水流特性、底側聯(lián)合摻氣坎摻氣水流特性，包括底、側摻氣空腔及影響因素、陡槽底板、側墻壁面的時均壓力和脈動壓力特性。得出突擴突跌摻氣設施后形成良好摻氣水流流態(tài)的臨界工作水頭隨明槽底坡的增大而減小。突擴寬度對底空腔長度有明顯影響，而突跌高度對側空腔長度幾乎無影響。摻氣設施后底板和側墻的脈動壓力特性隨流動區(qū)域不同而發(fā)生變化，穩(wěn)定區(qū)的脈動壓力分布更接近于正態(tài)分布。側摻氣量和底摻氣量在不同的流動區(qū)域對水流總摻氣量的貢獻率不同，且隨流量的變化而發(fā)生變化。陡槽中，由與單獨底坎和單獨側坎構成的聯(lián)合摻氣坎的保護長度為單獨底坎的1.1倍、為單獨側坎的1.8~2.0倍。紊流數(shù)學模型數(shù)值模擬結果與試驗結果吻合較好，表明紊流數(shù)學模型能較好的模擬摻氣水流特性，但摻氣濃度的模擬結果誤差相對較大，數(shù)值模擬方法還需進一步改進。本研究所得結果對更好的了解和揭示底側聯(lián)合摻氣設施的摻氣水力特性有較好的促進作用，也可為底、側聯(lián)合摻氣設施更好地服務于實際工程提供有益的借鑒。 2100433B