自摻氣水流摻氣發(fā)展區(qū)水力特性研究項(xiàng)目摘要

利用高速攝影儀，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)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(yàn)，對(duì)有壓出口后緩坡明渠表面自摻氣的發(fā)生、發(fā)展過程進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量；研究自摻氣發(fā)生點(diǎn)位置及其計(jì)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(guān)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(guān)系；研究摻氣發(fā)展區(qū)水流速度的沿程變化及摻氣對(duì)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(duì)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(yīng)；通過對(duì)比研究不同情況下?lián)綒鉂舛燃捌浞植嫉牟町?、氣泡擴(kuò)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(yàn)的比尺效應(yīng)。開展自摻氣水流摻氣發(fā)展區(qū)的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

通過大量的試驗(yàn)及理論分析，對(duì)有壓出口后緩坡明渠表面自摻氣的發(fā)生、發(fā)展過程進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，揭示了水流自由面在紊動(dòng)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(guān)系，揭示了摻氣發(fā)展區(qū)內(nèi)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(nèi)的變化規(guī)律，揭示了細(xì)觀水氣結(jié)構(gòu)特性與宏觀摻氣濃度之間的關(guān)系，并且建立了自摻氣發(fā)展過程的預(yù)測(cè)方法，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)及原型測(cè)量結(jié)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(duì)自摻氣形成及發(fā)展變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也可為有壓出口接高速明流泄洪洞的工程設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

摻氣，1997年公布的水利科學(xué)技術(shù)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(dòng)劇烈使空氣摻入水中形成氣液兩相流的現(xiàn)象。

應(yīng)用學(xué)科

水利科技（一級(jí)學(xué)科），水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)、海岸動(dòng)力學(xué)（二級(jí)學(xué)科），水力學(xué)（水利）（三級(jí)學(xué)科）

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

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。