自摻氣水流摻氣發(fā)展區(qū)水力特性研究

通過大量的試驗及理論分析，對有壓出口后緩坡明渠表面自摻氣的發(fā)生、發(fā)展過程進行了詳細的測量，揭示了水流自由面在紊動作用下的形態(tài)演變及卷吸摻氣過程，揭示了自摻氣發(fā)展區(qū)的發(fā)展規(guī)律及其與渠道坡度，水流速度，水深之間的關系，揭示了摻氣發(fā)展區(qū)內摻氣濃度分布及沿程變化規(guī)律，研究了氣泡尺寸及其概率分布在摻氣發(fā)展區(qū)內的變化規(guī)律，揭示了細觀水氣結構特性與宏觀摻氣濃度之間的關系，并且建立了自摻氣發(fā)展過程的預測方法，計算結果與試驗及原型測量結果吻合良好。上述研究成果為水氣二相流的研究開拓了新的方向，有助于加深對自摻氣形成及發(fā)展變化規(guī)律的認識，也可為有壓出口接高速明流泄洪洞的工程設計提供可靠的理論依據。

利用高速攝影儀，采用數字圖像處理技術，結合針式摻氣儀，通過系列緩坡明渠摻氣發(fā)展區(qū)水力特性模型試驗，對有壓出口后緩坡明渠表面自摻氣的發(fā)生、發(fā)展過程進行詳細的測量；研究自摻氣發(fā)生點位置及其計算方法；揭示摻氣發(fā)展區(qū)的發(fā)展規(guī)律及其與渠道坡度、水流速度之間的關系；揭示摻氣發(fā)展區(qū)的摻氣濃度分布及其沿程變化規(guī)律，以及摻氣濃度的沿程變化與渠道坡度、水流速度之間的關系；研究摻氣發(fā)展區(qū)水流速度的沿程變化及摻氣對水流速度分布的影響；研究氣泡尺寸及其概率分布在摻氣發(fā)展區(qū)的變化規(guī)律；通過對比研究不同水流速度情況下氣泡特性的差異，探索研究氣泡尺寸的比尺效應；通過對比研究不同情況下?lián)綒鉂舛燃捌浞植嫉牟町?、氣泡擴散速度的差異、氣泡尺寸大小及其概率分布的差異等，研究表面自摻氣模型試驗的比尺效應。開展自摻氣水流摻氣發(fā)展區(qū)的基礎研究，為水氣二相流的研究開拓新的方向，并為有壓出口接高速明流泄洪洞的工程設計提供可靠的理論依據。

摻氣，1997年公布的水利科學技術名詞。

中文名稱

摻氣

英文名稱

aeration

定　　義

高速水流的水氣界面附近因紊動劇烈使空氣摻入水中形成氣液兩相流的現象。

應用學科

水利科技（一級學科），水力學、河流動力學、海岸動力學（二級學科），水力學（水利）（三級學科）

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。紊流數學模型數值模擬結果與試驗結果吻合較好，表明紊流數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

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。