明满流水力瞬变机理及气液两相流运动规律研究

Free surface pressurized and mixed flows, often occurring in storm water systems, tailrace tunnel and Long Distance Water Transfer Project, are complex gas-liquid two-Phase Flows. The transition from free-surface flow to pressurized flow can produce significant variations in pressure and entry or expulsion of large quantities of air, as well as retention of air bubble. It can reduce the flow capacity and depress the operating efficiency of waterway. The present investigation will focus on Mechanism of unsteady free surface pressurized and mixed flows with considering hydraulic characteristics of Gas-Liquid Two-Phase Flow. The motion of interface of free and pressurized flow in deferent conditions will be observed, besides velocity and period of that. The motion characteristic of the discontinuous interface will be analyzed, and the influencing factors of that will be considered. The criterion can be thus derived. Moreover, the characteristics method integrating the shock-fitting approach will be developed for understanding the mechanism of pressure transition in free surface, pressurized flow. On the basis of those, the hydraulic characteristics of Gas-Liquid Two-Phase Flow in free surface pressurized and mixed flows will be investigated by using 1D and 3D coupled hydrodynamic numerical model in the process of transient flow. The study can be refer by future research, and is important for safety operation of pipes and tunnels.

明满流是城市排水系统、水电站尾水隧洞及长距离无压输水隧洞中经常发生的一种复杂的气液两相非恒定流现象。明满流瞬变过程中存在剧烈的压力交变作用，使管道出现吸气或滞气现象，导致系统过流、排水能力下降，严重影响管道系统运行效率。本项目针对管道和隧洞中发生的明满流现象的气液两相流动规律及水力瞬变特性开展相关研究，通过模型试验观测不同条件下管道中明满界面运动方式，量测界面运动速度及往复波动周期，深入分析不连续界面运动规律及其影响因素，在试验数据基础上考虑多种影响因素，推求明满交替流和混合流的发生条件和无量纲判定依据；在此基础上建立明满流一维三维耦合水动力学计算模型研究明满交替流压力交变作用内在机制及明满混合流现象的水力瞬变机理和水气两相流运动规律。项目研究对明确明满流水力特性有显著的参考意义，对保证管道输、排水安全也具有重要的应用价值。

明满流是城市排水系统、水电站尾水隧洞及长距离无压输水隧洞中经常发生的一种复杂的气液两相非恒定流现象。明满流瞬变过程中存在剧烈的压力交变作用，使管道出现吸气或滞气现象，导致系统过流、排水能力下降，严重影响管道系统运行效率。管道和隧洞中出现截留气团时，其压缩和膨胀能产生数倍于稳态压力的压力峰值，对水利工程安全稳定运行造成不利影响。. 本项目采用理论分析、物理模型、数值模拟等多种研究手段，主要针对明满流水力瞬变特性开展研究，建立了明满流全过程数学模型，阐明了不稳定交界面的产生条件以及滞留气团压缩和膨胀过程中水气交互作用，分析了明满交替流和混合流的发生条件和判定依据，明满交替流间断界面的运动规律及其影响因素，揭示了明满混合流水力瞬变机理及滞留气团的动态特性。. 研究成果表明，明满流可分为明流期、涌波形成期、不稳定界面形成期、明满流过渡期、滞留气体释放期和有压流六个阶段。对各阶段采用刚性水体假设建立相应的数学模型，并通过连续守恒原理构建阶段之间的衔接边界，能有效的模拟管道中明满流过渡问题。针对圆形和城门洞型断面隧洞中发生明满交替流时，交界面附近水面宽度很小，导致明流波速很大，甚至超过有压流波速，导致数值计算方法出现发散的情况，提出了基于连续性原理的特征线界面追踪法，并通过模型试验数据进行了验证，结果表明，该方法可突破上述技术瓶颈，能较为准确的模拟横断面顶宽极限很小的隧洞中的明满交替流问题。隧洞中过渡流态与其初始弗洛德数密切相关，发生明满交替流和混合流的临界弗洛德数与水气高度比、隧洞截面形式以及水气密度比有关。有明满混合流一维三维耦合数学模型研究成果可知，明满混合流主要是由于隧洞中流量突然大幅变化诱发的不稳定界面所引起，气团滞留于管道后将随水流往复振荡，使得气团运动区域压力呈较强的交变效应，最终由于气体的不断释放，气团质量逐渐减小，系统将恢复成全有压流状态。