高速明渠自掺气水流掺气浓度比尺效应细观成因及影响规律试验研究

Physical hydraulic modelling is an effective method and the criterion of gravitational force similarity is most often applied in open channel hydraulics. However, the self-aeration characteristics of high-speed open channel flows are statistically incorrectly scaled in a Froude similarity model between the model and prototype flows. Scale effects for self-aeration arise in scale model, and the limiting criteria and correction method for prototype application are still unclear. Based on a series of systematically experimental study, self-aeration properties are measured in high-speed open channel flows under different flow velocity, cross-section size and wall roughness conditions. The effect of scale ratio on air concentration, diffusion region and air bubble properties is investigated. The mechanism of air concentration scale effect is analyzed based on the deviations of microscopic air bubble property in open channel flows. The influences of Froude number, Reynolds number, Weber number and roughness coefficient on scale effect of self-aeration are studied, and the new general influencing factor is studied to quantify the scale effect of air concentration in open channel flows. The calculation relationship of air concentration between scaled model and prototype will be explored for providing precise influence of self-aeration and reliable guidance in hydraulic engineering design.

水力学模型试验是解决高速水力学问题的有效途径，其中重力相似准则是普遍采用的模型试验相似准则，然而对于明渠自掺气水流，根据重力相似准则得到的模型掺气浓度与原型工程存在明显的差异，自掺气模型试验掺气浓度比尺效应细观成因不明确，目前无法根据一定的换算关系引申到原型工程。本项目通过系列模型试验，采用针式掺气仪和高速摄像机，对明渠高速自掺气水流不同流速、断面尺寸、壁面粗糙程度条件下自掺气宏观掺气浓度和细观气泡特性进行详细测量，研究模型比尺对自掺气宏观和细观特性的影响规律，通过对比自掺气水流气泡特性的差异，揭示模型试验掺气浓度比尺效应的细观成因，研究不同水流弗劳德数、雷诺数、韦伯数、壁面糙率对掺气浓度和气泡特性相关关系的影响规律，探索确定自掺气水流掺气浓度比尺效应无量纲影响因子，获得适用于自掺气水流不同比尺掺气浓度引申计算方法，为准确预测自掺气对工程设计的影响提供可靠的科学依据。

水力学模型试验是解决高速水力学问题的有效途径，其中重力相似准则是普遍采用的模型试验相似准则，然而对于明渠自掺气水流，根据重力相似准则得到的模型掺气浓度与原型工程存在明显的差异，自掺气模型试验存在掺气浓度比尺效应问题，目前无法根据一定的换算关系引申到原型工程。. 本项目按照项目计划，通过系列模型试验和理论分析，对明渠高速自掺气水流不同水流条件下自掺气宏观掺气浓度和细观气泡特性进行详细测量，研究模型比尺对自掺气宏观和细观特性的影响规律，通过对比自掺气水流气泡特性的差异，揭示模型试验掺气浓度比尺效应的细观成因，明确不同水流参数对掺气浓度和气泡特性相关关系的影响规律，确定自掺气水流掺气浓度比尺效应无量纲影响因子，获得适用于自掺气水流不同水力条件下掺气特征引申计算方法，为准确预测自掺气对工程设计的影响提供可靠的科学依据。. 通过本项目关于明渠自掺气水流掺气特征比尺效应的研究，首先明确对于气泡卷吸和扩散的主要原因是掺气强度与气泡溢出之间相互关系的差异，揭示了缩尺模型试验导致自掺气水流掺气浓度比尺效应的成因是对于重力相似准则条件下的水力模型试验，通过缩尺设计人为将原型中的“强掺气区”降低至“中度掺气区”甚至“弱掺气区”，大大降低的掺气发生和发展演变过程；同时，基于明渠自由面卷吸掺气机理，建立掺气水流沿程掺气发展程度的直接计算方法，用于直接预测不同水力条件和模型比尺条件下掺气水流沿程发展。. 通过本项目获得的关键数据以及定量关系包括：1）建立自掺气水流掺气区细观水气特征特征与宏观掺气浓度自相似经验关系；2）基于水流雷诺数与掺气量对明渠掺气特性的影响，提出用于表征自掺气水流的无量纲参数，掺气雷诺数K。. 通过本项目获得获得适用于原型工程自掺气水流掺气浓度及其分布的计算方法，为准确根据模型试验预测自掺气对原型工程设计的影响提供科学依据。