复杂边界条件下泄槽强迫掺气水流特性研究

研究项目主要通过水槽试验，对泄洪洞、溢流坝等泄水建筑物两顺直底坡段间下凸型反弧段以及挑流反弧段这两种复杂边界条件下的底部强迫掺气水流特性进行研究。通过在泄槽反弧段上游底板上布置掺气坎，进行系统的水槽试验，研究掺气坎水流落在反弧段的流态、水流中掺气浓度的沿程分布、变化规律、影响因素、掺气空腔积水特性及影响因素，得出反弧段的掺气水流特性，同时根据水流掺气浓度沿程变化规律，对反弧段的掺气减蚀保护长度进行研究；结合紊流数学模型对部分试验工况进行数值模拟；对试验资料、数值模拟结果和相关原形资料进行对比分析，最终形成一套关于在反弧段复杂边界条件下掺气减蚀的理论、试验技术、数学模型及工程设计方法，解决工程中掺气减蚀在复杂边界条件下的应用难点，使之更好地为高坝工程建设服务。

通过深入的理论分析、系统的物理模型试验和紊流数值模拟相结合的研究方法，对泄洪洞、溢流坝等泄水建筑物两顺直底坡段间下凸型反弧段以及挑流反弧段这两种复杂边界条件下的底部强迫掺气水流特性进行了综合研究。针对直段泄槽及反弧段复杂边界条件的泄槽，开展了掺气坎后通气孔的尺寸对掺气空腔尺度的影响研究，得到了不同通气孔面积在各级流量及不同边界条件下对空腔尺度的影响规律，获得了不同条件下产生稳定空腔所需要的通气孔面积。揭示了反弧段上掺气空腔积水的机理是在一定的水力及边界条件下掺气空腔内之所以产生积水是需要积水水体产生的作用力使水流的动量保持平衡，并研究了掺气坎体型、尺寸、来流条件及泄槽反弧段半径等因素对空腔积水的影响，得出了掺气坎后反弧段上空腔尺度的变化规律及影响因素。提出了掺气空腔压强的计算方法、探讨了空腔压强的变化规律及影响因素。直段泄槽与反弧段泄槽底部强迫掺气水流流态、流速、掺气空腔形态、压强及掺气浓度的变化有明显的差异，主要受反弧半径的影响。掺气坎后挑水舌段、水舌落点附近段及其后泄槽段的掺气浓度分布规律差异较大，研究得出了来流水力条件、泄槽及掺气坎边界条件对掺气浓度分布影响的相关规律。作为与反弧段试验的对比，采用实体模型试验及三维紊流数值模型研究了直段陡坡泄槽掺气坎后水流掺气浓度沿程、沿水深的分布，明确了来流水力条件和边界条件对掺气浓度分布的影响。通过研究掺气设施后水流掺气浓度的分布及衰减规律，得出了试验模型中满足临界免蚀掺气浓度的直段泄槽、反弧段泄槽的掺气减蚀保护长度及影响因素。研究方法及成果对复杂边界条件下掺气减蚀的进一步研究和应用具有重要的参考和指导意义。