掺气减蚀技术及掺气设施研究进展

为优化掺气设施体型并对其水力特性进行研究,在已有理论研究成果与工程实践经验基础上,从水流掺气减蚀机理、掺气水流运动特性及掺气设施体型及布置三方面评述了水流掺气减蚀技术研究进展。针对目前掺气减蚀技术研究中存在的不足,认为今后应进一步加强多泡情况下空化泡-空气泡-边壁微观作用机制,近壁(底板、侧壁)水体掺气浓度、气泡特征的沿程演变规律,复杂条件下掺气设施体型优化等方面的研究。     

掺气减蚀设施后二维空腔流动计算

本文发展了文献[4]中提出的求解自由面重力流的h2类边值问题理论。运用解析函数的Riemann-Hilbert混合边值问题的h3类边值问题理论，导出了计算有重力作用情况下双自由表面二维空腔势流流动的边界程分方程，提出了确定空腔区水舌下自由表面的计算格式，并在物理平面上进行了数值求解。表明，该数值方法具有收敛速度快、边界适应能力强、计算量小、计算精度高和对初值要求不高等特点。计算结果与实测资料对比分析表明，来流佛氏数Fr<7情况下，无需考虑阻力影响，采用势流模型即可获得与实测值相符合的结果；而在来流佛氏数Fr>7情况下，由于射流掺气加剧，需引入阻力修正。     

挑坎型掺气减蚀设施过流掺气特性研究

采用一维激光测速系统，对掺气减蚀工程中常用的直线型挑坎的流场特性进行试验研究．通过测量挑坎上及空腔区水流的流速分布及紊动特性，探讨通气量与紊动强度的关系．同时在深入研究流场特性和掺气机理的基础上，通过分析影响掺气的因素，从理论上探求临界掺气流速的计算，重点分析挑坎型掺气过流在空腔负压较大的情况下，临界掺气条件的理论预测，并通过试验资料验证了该计算方法．在此基础上，还进一步研究了掺气量的计算公式及其变化规律．     

论掺气减蚀

根据国内外大量的工程实例，对掺气减蚀作用、掺气减蚀风险、“龙抬头”式泄洪洞反弧的掺气减蚀问题，掺气槽的数量及掺气槽的布置方法进行了广阔的讨论，得到了几个实用性结论，供有关设计、科研人员参考。     

掺气减蚀研究的新方向

利用针式掺气流速仪测量掺气浓度场、流速场，气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明，原型水流韦伯数高，形成微小气泡的能力比模型强，气泡上浮慢，接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大，0．2mm或0．5mm以下的微小气泡可能在掺气减蚀中起着主要作用，完善掺气检测仪器，加强掺气水流中气泡尺寸及其概率分布的观测，比较不同气泡尺寸的掺气减蚀作用，建立多级气泡尺寸的掺气水流数学模型，是今后掺气减蚀研究的新方向。     

较缓底坡上掺气减蚀设施的研究

在较缓底坡上设置掺气减蚀设施的最大难题就是掺气坎后的空腔回水问题.空腔回水不仅影响掺气设施的掺气效果,而且还可能堵塞进气通道,使掺气设施失效.对此,国内学者已进行过很多研究,提出了凹形坎、凸形坎、V形坎等各种三维掺气坎体型,可以有效地减少空腔回水,改善通气效果,但是并不能完全消除空腔回水.金川水电站泄洪洞原设计底坡0.03,通过模型试验,最终采用一种底板下弯式掺气设施,可以形成稳定的掺气空腔,并能完全消除空腔回水,可供同类工程参考.     

小浪底工程排沙洞掺气减蚀设施体型的优化设计

在黄河小浪底工程排沙洞压力段出口采用了偏心铰工作弧门，与之相庆的突扩、突跌掺气减蚀设施的体型从招标设计到施工详图设计不断优化，最终选定突扩宽度为０．７ｍ，突破了国内外工程多数取０．２－０．６ｍ的局限。经水力学模型试验验证，该方案满足排沙洞荛弧门全开和经常性局部开启的运用要求。     

三峡工程溢流坝掺气减蚀研究

三峡工程最大水头１１３ｍ，溢流坝最高流速达３５ｍ／ｓ，对泄流面平整度要求很高，施工很难作到。为方便施工和溢流面不发生空蚀，研究采用掺气槽。结合国内外已建工程，尤其是乌江渡工程的经验，三峡工程表孔选用组合式掺气槽，其面积取６．８ｍ＾２，槽深１．２ｍ，挑坎高０．８ｍ，通气孔直径１．３ｍ，槽内负压值６６７ｍｍ水柱，通气孔布置在两侧闸墩上。深孔掺气槽参考龙羊峡水电站的突跌形式，弧门下游跌差２．０ｍ，通气孔     

高水头泄水建筑物掺气坎体型研究

对具有高水头、大单宽流量的泄洪建筑物,工程中通常采用强迫掺气减蚀措施防止壁面发生空蚀破坏。本文主要通过物理模型试验研究方法,对高水头龙抬头明流泄洪洞反弧段下游底板和侧墙掺气减蚀进行了研究,提出了一种底部突跌凸型坎和侧墙加贴角联合掺气的新型掺气坎,解决了洞顶余幅、底空腔内回水和突缩引起掺气坎后形成水翅之间的问题。采用这种新型的掺气坎体型后,底空腔内没有回水,同时消除了反弧段后侧墙出现的清水区;侧空腔畅通并直接和底空腔相连,对侧墙和底板都起到了很好的保护。该体型对类似工程的设计及修复具有一定参考价值。     

水利枢纽溢洪道掺气坎槽体型研究

结合糯扎渡水利枢纽溢洪道掺气减蚀模型试验研究，根据试验资料，利用回归分析，拟合出关系曲线，建立了坎高与水深、流速、溢洪道底坡、挑坎挑角关系的经验公式，并通过已建成的工程实例来验证公式的实用性．该公式对掺气坎槽选型提供了依据，可供设计与模型试验阶段参考。     

低Fr数流动跌坎掺气槽的水力及掺气特性

通过模型试验和理论分析，研究了低Fr数(Fr<7)流动情况下空腔积水对跌坎掺气设施水力及掺气特性的影响。建立了计算跌坎掺气设施水力及掺气特性的预测数学模型。给出了射流出射角的修正式；积水尺寸的计算式；掺气设施实际运行工况(空腔长度、空腔负压、掺气量等)的预估方法。研究表明，低Fr数流动情况下，由于重力作用显著，积水对水力及掺气特性均有显著影响。     

掺气坎射流出射角的修正方法

掺气坎后射流出射角受到来流水深和射流紊动扩散的影响,不等于挑坎的挑角,计算掺气空腔长度时,应该对出射角进行修正。而目前采用的考虑紊动扩散对出射角影响的修正方法存在不合理的假设。考虑到坎末水流流态为充分发展的紊流,射流边缘处于紊动能耗散区,提出了一种紊动扩散对出射角影响的修正方法。采用该方法计算的射流紊动扩散角与试验结果更吻合。对出射角修正后,结合简单的抛射体公式,就能较精确地估算掺气空腔长度。     

掺气槽上射流挟气量的数学模型

本文分析了掺气槽空腔区射流底缘气水界面上空气掺入水体过程的作用因素及受力情况，认为掺气是由于气水界面紊动涡体的脉动作用造成自由表面局部凹曲率超过临界值而发生的；建立了临界掺气流速和射流挟气量的理论表达式，它反映了影响射流掺气特性的各种因素及其相互关系，提出的射流挟气量公式得到部分原模型资料的验证，研究表明，射流挟气量受多种因素的影响，其中来流的紊动是影响掺气的重要因素，研究初步揭示出模型和原型通气     

Fin characteristics of aerator devices with lateral deflectors

The fins will be formed if the lateral deflectors in the side-walls with a bottom aerator device are improperly designed, and the flow regime downstream of the aerator device will be worsened. In this paper, the height and the length of the fins induced by the lateral deflectors are theoretically analyzed along with their influencing factors, and the fin characteristics are experimentally investigated on the basis of the theoretical analysis. It is shown that the intensities of the fins are strongly dependent on the ratio of the lateral cavity length to the bottom cavity length, and other factors, like the working head, the height and the angle of the lateral deflector, the flow Froude number around the aerator device, affect the fins indirectly through the changes of the lateral cavity length. When an aerator device with lateral deflectors is designed, it is crucial to match the above mentioned ratio, and to make the ratio of the two cavity lengths less than 1.0 in order to avoid the generation of the fins.     

微孔曝气器充氧性能变化对污水处理厂能耗的影响

以北京小红门污水处理厂的新、旧刚玉盘式微孔曝气器为例,进行曝气充氧性能的试验研究,并分析了更换曝气器对污水处理厂能耗的影响。结果表明:经过长期使用的曝气器充氧性能下降较大,氧总转移系数、氧的利用效率和动力效率分别下降了57%、58%和59%。旧微孔曝气器氧的利用效率为8.9%～14.1%,略高于中大气泡曝气器的性能参数,但由于微孔曝气器具有较大的阻力损失,使旧微孔曝气器的动力效率为1.5～2.1kgO2/(kW.h),低于中大气泡曝气器的性能参数。更换小红门全厂1/4的微孔曝气器后,鼓风机单耗降低21%,全厂能耗降低12%。因此,当微孔曝气器的充氧性能下降较大时,更换新的曝气器具有较高的节能和经济效益。     

V型掺气坎在龙抬头式泄洪洞中的应用

本文通过试验研究,从掺气坎后空腔区的三维形态考虑,提出了一种新型V型槽式掺气坎(简称V型坎),其主要特点是:坎后射流水舌的流速、挑角和高程沿中心向两侧保持连续变化,其水舌落水点范围即空腔长度成为一连续变化的曲线,且沿曲线水流流速亦呈连续变化,很好地减弱或消除了龙抬头式泄洪洞掺气坎后水流落水处产生的回水.在V型坎出口断面处,水流的三维扩散充分,水舌与空腔的接触面明显增大,对底空腔长度、通气量等掺气特性指标都有明显改善.     

三峡工程泄洪深孔跌坎掺气体型模型试验研究

通过比尺为35和20的两个模型,观测了流态、压力分布、通气量、掺气浓度分布等物理量,对三峡工程泄洪深孔跌坎掺气体型中的跌坎高度、明槽坡度、盖板形式和通气孔尺寸等进行了比较,提出了可行的深孔跌坎掺气体型。该体型已为设计采用。另外还对不同比尺模型中水流掺气的比尺效应进行了初步探讨。