自掺气水流掺气发展区水力特性研究

通过大量的试验及理论分析，对有压出口后缓坡明渠表面自掺气的发生、发展过程进行了详细的测量，揭示了水流自由面在紊动作用下的形态演变及卷吸掺气过程，揭示了自掺气发展区的发展规律及其与渠道坡度，水流速度，水深之间的关系，揭示了掺气发展区内掺气浓度分布及沿程变化规律，研究了气泡尺寸及其概率分布在掺气发展区内的变化规律，揭示了细观水气结构特性与宏观掺气浓度之间的关系，并且建立了自掺气发展过程的预测方法，计算结果与试验及原型测量结果吻合良好。上述研究成果为水气二相流的研究开拓了新的方向，有助于加深对自掺气形成及发展变化规律的认识，也可为有压出口接高速明流泄洪洞的工程设计提供可靠的理论依据。

利用高速摄影仪，采用数字图像处理技术，结合针式掺气仪，通过系列缓坡明渠掺气发展区水力特性模型试验，对有压出口后缓坡明渠表面自掺气的发生、发展过程进行详细的测量；研究自掺气发生点位置及其计算方法；揭示掺气发展区的发展规律及其与渠道坡度、水流速度之间的关系；揭示掺气发展区的掺气浓度分布及其沿程变化规律，以及掺气浓度的沿程变化与渠道坡度、水流速度之间的关系；研究掺气发展区水流速度的沿程变化及掺气对水流速度分布的影响；研究气泡尺寸及其概率分布在掺气发展区的变化规律；通过对比研究不同水流速度情况下气泡特性的差异，探索研究气泡尺寸的比尺效应；通过对比研究不同情况下掺气浓度及其分布的差异、气泡扩散速度的差异、气泡尺寸大小及其概率分布的差异等，研究表面自掺气模型试验的比尺效应。开展自掺气水流掺气发展区的基础研究，为水气二相流的研究开拓新的方向，并为有压出口接高速明流泄洪洞的工程设计提供可靠的理论依据。

掺气，1997年公布的水利科学技术名词。

中文名称

掺气

英文名称

aeration

定　　义

高速水流的水气界面附近因紊动剧烈使空气掺入水中形成气液两相流的现象。

应用学科

水利科技（一级学科），水力学、河流动力学、海岸动力学（二级学科），水力学（水利）（三级学科）

水利工程中泄水建筑物在下泄高速水流时常会遭受空蚀破坏。掺气减蚀已被理论和大量的工程实践证明是一种相对简单、经济和行之有效的减蚀措施。在特殊的水流及边界条件下，不仅流道的底板，而且其边墙也会受到空蚀破坏。采用侧墙和底板联合掺气设施是避免泄水建筑物全过水断面遭受空蚀破坏的一种重要途径。由于底、侧掺气设施会相互影响，使得底侧联合掺气设施的掺气水流特性比单独的底掺气或侧掺气水流特性更为复杂。本项目研究主要采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法，对有压洞出口突扩突跌掺气设施和陡槽底、侧联合掺气坎的掺气水流特性进行研究。主要研究了突扩突跌掺气设施水流流态、临界工作水头及影响因素、底侧空腔长度及相互影响关系、过流底板和侧墙的脉动压力特性，水流掺气浓度分布规律以及底板和侧墙掺气保护长度。对明流陡槽，主要研究了自掺气水流特性、单独侧掺气坎和底掺气坎掺气水流特性、底侧联合掺气坎掺气水流特性，包括底、侧掺气空腔及影响因素、陡槽底板、侧墙壁面的时均压力和脉动压力特性。得出突扩突跌掺气设施后形成良好掺气水流流态的临界工作水头随明槽底坡的增大而减小。突扩宽度对底空腔长度有明显影响，而突跌高度对侧空腔长度几乎无影响。掺气设施后底板和侧墙的脉动压力特性随流动区域不同而发生变化，稳定区的脉动压力分布更接近于正态分布。侧掺气量和底掺气量在不同的流动区域对水流总掺气量的贡献率不同，且随流量的变化而发生变化。陡槽中，由与单独底坎和单独侧坎构成的联合掺气坎的保护长度为单独底坎的1.1倍、为单独侧坎的1.8~2.0倍。紊流数学模型数值模拟结果与试验结果吻合较好，表明紊流数学模型能较好的模拟掺气水流特性，但掺气浓度的模拟结果误差相对较大，数值模拟方法还需进一步改进。本研究所得结果对更好的了解和揭示底侧联合掺气设施的掺气水力特性有较好的促进作用，也可为底、侧联合掺气设施更好地服务于实际工程提供有益的借鉴。 2100433B

掺气减蚀设施，对泄水建筑物的高速水流进行人工掺气,以削弱空化及其溃灭压强而使水流固体边壁减免空蚀破坏的工程设施。例如,在易出现空化的溢流面上设小挑坎,坎下有通气槽与大气相连,急流过坎时局部脱离形成空腔,高速水流底部就会有空气自动被卷吸掺入,水流底部含气层使气泡不会立即散逸;在掺气设施下游相当长范围内可有效防止空蚀破坏。广泛用于高水头泄水建筑物中。