高速水流表面自掺气和底部强迫掺气共同作用下的掺气浓度分布规律研究

The side wall height of free-flow discharge tunnel is designed by the aerated flow depth, so it is important to estimate the aerated flow depth. And if the estimation is too small or too large, which resulting in not enough remaining height or too large engineering cost. There are many aerated flow depth calculation formulas that mainly based on experimental methods both at home and abroad, which results in the obviously different results. This study will be carried out on the self-aeration and bottom areation of high speed flow by using the way of model experiments(Maximum velocity 50m/s), theoretical research and numerical simulation. Simultaneously, much emphasis will be put on researching their characteristics and interaction through a series of model experiments. Through measuring and researching the bubble size and air concentration of the self-areation and bottom aeration, the relationships of the air entrainment and the cavity aeration, the air entrainment and impulsive force or intersection angle will be generalized. The accurately calculation formulas of self-aeration, cavity aeration and air entrainment for air demand will establish a wide-application aerated flow depth calculation formula. Therefore, the research results can provide reference for optimizing the depth of the side wall and it has the great significance to improve the techniques level of hydraulic engineering project.

针对明流泄洪洞中高速水流掺气引起水深深度增加，导致相应的边墙高度也需要增高，目前研究中掺气水深计算公式相当多，但采用不同的公式，得出的掺气水深结果却大不相同。本研究拟采用模型实验（实验流速最高50m/s）、理论分析与数值模拟相结合的方法，分析研究影响掺气的直接因素，分别研究表面自掺气与底部掺气规率及其相互耦合作用，对掺气机理更深入的理解；通过系列模型实验，对明流泄洪洞表面自掺气与底部掺气的气泡尺寸、气泡浓度分布及其沿程发展规律进行分析研究，明确底部掺气中空腔掺气与卷吸掺气物理定义及划分，研究底部卷吸掺气与水舌冲击力、冲击夹角的关系；总结出表面自掺气、底部空腔掺气、底部卷吸掺气掺气量准确的计算公式，进而得到精度更高、应用更广的掺气水深计算公式，为明流泄洪洞断面尺寸设计提供准确可靠的理论依据。

随着高坝工程建设的不断发展，许多大型工程的泄水建筑物常伴有水头高、流速大、单宽流量大等特点，泄洪洞新的运行安全问题也凸显出来。泄水建筑物中的水流流速越来越大，一方面当流速达到一定程度时，大量空气自水面掺入水流中，并以气泡形式被水流带走，形成了自掺气水流，并随着流速增加，水流掺气浓度不断增大；另一方面当流速超过30m/s左右时，可能会引起空化空蚀问题的发生。防止空蚀破坏措施中，在高速水流泄水建筑物中设置掺气设施进行掺气，是一种最为经济有效的措施。目前对表面自掺气和底部掺气的研究中，由于条件限制，对自掺气充分发展区的研究相对较少；对底部掺气水流的研究，由于无法将表面掺气与底部掺气区分开，得到的结论有一定局限性。因此，本文在前人研究基础上，通过模型试验和理论分析相结合的方法，分别对明渠水流自掺气与底部掺气的规律进行了系统研究。本项目分析了影响自掺气的主要因素，在前人基础上，提出自掺气掺气水深增加值的半理论半经验公式；结合结合扩散方程，获得了断面浓度分布的计算公式；获得自掺气水流的紊动强度分布规律，探讨了掺气浓度与气泡个数频率、以及气泡个数频率与紊动强度的相关关系。本项目在避免表面自掺气干扰的基础上，对掺气坎后底部掺气水流的掺气特性进行系统研究。研究发现不同区域内掺气浓度分布曲线明显不同，并结合断面掺气量与底部压力沿程变化规律的不同，将掺气坎下游划分为4个区域：空腔区，冲击区，底部掺气量平衡区和远区。分别对各区域内的掺气浓度分布、流速分布、气泡个数频率及气泡弦长概率密度分布的沿程变化规律进行研究；分析探讨了断面浓度最大值与气泡个数最大值、以及位置的变化规律；提出了掺气浓度分布的理论计算公式和底部掺气量的计算公式。本项目在前人工作基础上，专门针对明流泄洪洞掺气水流开展系统研究，研究成果可为科学合理设计明流泄洪洞提供参考依据。