摻氣減蝕設(shè)施簡(jiǎn)介

摻氣減蝕設(shè)施，對(duì)泄水建筑物的高速水流進(jìn)行人工摻氣,以削弱空化及其潰滅壓強(qiáng)而使水流固體邊壁減免空蝕破壞的工程設(shè)施。例如,在易出現(xiàn)空化的溢流面上設(shè)小挑坎,坎下有通氣槽與大氣相連,急流過坎時(shí)局部脫離形成空腔,高速水流底部就會(huì)有空氣自動(dòng)被卷吸摻入,水流底部含氣層使氣泡不會(huì)立即散逸;在摻氣設(shè)施下游相當(dāng)長(zhǎng)范圍內(nèi)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(shè)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(shè)施的統(tǒng)稱。一般是在易發(fā)生空蝕的過水邊壁設(shè)置局部挑起、突跌、突擴(kuò)等體型構(gòu)造物，使急流通過時(shí)產(chǎn)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(shè)施，按體型分,實(shí)用設(shè)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(shí)擴(kuò)式;除最后一種主要用于高壓閘門后水流側(cè)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(shí)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(shè)施處摻入的空氣仍會(huì)沿程逐漸逸出，故當(dāng)高速水流流程很長(zhǎng)時(shí),要有多道設(shè)施。目前經(jīng)驗(yàn)表明，一道摻氣設(shè)施的保護(hù)長(zhǎng)度可達(dá)50~60m。經(jīng)驗(yàn)還表明,以氣體積與水體積之比表示的摻氣量達(dá)5%時(shí)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(kuò)展至全過水?dāng)嗝娴牟课豢刹槐赜蒙鲜鲈O(shè)施。2100433B

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

水利工程中泄水建筑物在下泄高速水流時(shí)常會(huì)遭受空蝕破壞。摻氣減蝕已被理論和大量的工程實(shí)踐證明是一種相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)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(huì)受到空蝕破壞。采用側(cè)墻和底板聯(lián)合摻氣設(shè)施是避免泄水建筑物全過水?dāng)嗝嬖馐芸瘴g破壞的一種重要途徑。由于底、側(cè)摻氣設(shè)施會(huì)相互影響，使得底側(cè)聯(lián)合摻氣設(shè)施的摻氣水流特性比單獨(dú)的底摻氣或側(cè)摻氣水流特性更為復(fù)雜。本項(xiàng)目研究主要采用理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)有壓洞出口突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施和陡槽底、側(cè)聯(lián)合摻氣坎的摻氣水流特性進(jìn)行研究。主要研究了突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施水流流態(tài)、臨界工作水頭及影響因素、底側(cè)空腔長(zhǎng)度及相互影響關(guān)系、過流底板和側(cè)墻的脈動(dòng)壓力特性，水流摻氣濃度分布規(guī)律以及底板和側(cè)墻摻氣保護(hù)長(zhǎng)度。對(duì)明流陡槽，主要研究了自摻氣水流特性、單獨(dú)側(cè)摻氣坎和底摻氣坎摻氣水流特性、底側(cè)聯(lián)合摻氣坎摻氣水流特性，包括底、側(cè)摻氣空腔及影響因素、陡槽底板、側(cè)墻壁面的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力特性。得出突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)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(kuò)寬度對(duì)底空腔長(zhǎng)度有明顯影響，而突跌高度對(duì)側(cè)空腔長(zhǎng)度幾乎無影響。摻氣設(shè)施后底板和側(cè)墻的脈動(dòng)壓力特性隨流動(dòng)區(qū)域不同而發(fā)生變化，穩(wěn)定區(qū)的脈動(dòng)壓力分布更接近于正態(tài)分布。側(cè)摻氣量和底摻氣量在不同的流動(dòng)區(qū)域?qū)λ骺倱綒饬康呢暙I(xiàn)率不同，且隨流量的變化而發(fā)生變化。陡槽中，由與單獨(dú)底坎和單獨(dú)側(cè)坎構(gòu)成的聯(lián)合摻氣坎的保護(hù)長(zhǎng)度為單獨(dú)底坎的1.1倍、為單獨(dú)側(cè)坎的1.8~2.0倍。紊流數(shù)學(xué)模型數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明紊流數(shù)學(xué)模型能較好的模擬摻氣水流特性，但摻氣濃度的模擬結(jié)果誤差相對(duì)較大，數(shù)值模擬方法還需進(jìn)一步改進(jìn)。本研究所得結(jié)果對(duì)更好的了解和揭示底側(cè)聯(lián)合摻氣設(shè)施的摻氣水力特性有較好的促進(jìn)作用，也可為底、側(cè)聯(lián)合摻氣設(shè)施更好地服務(wù)于實(shí)際工程提供有益的借鑒。 2100433B