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。     

掺气减蚀保护作用的新概念

利用针式掺气流速仪测量原型和模型掺气浓度场、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。初步研究认为：0.2mm或0.5mm以下的微小气泡在掺气减蚀中起着主要作用，可能只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀的效果。因此以小尺寸气泡的掺气浓度，作为判断掺气减蚀保护作用的指标将更为准确。     

气泡尺寸与气核数目对初生空化的影响综述

衡量掺气效果的传统方法主要以掺气浓度为指标,认为掺气浓度大于2%时很少发生空蚀破坏。但新的研究表明,掺气浓度即使在很低的范围也可能不发生空蚀破坏。从气泡尺寸和气核数目对初生空化的影响入手,通过分析已有数据,探索衡量掺气效果的因素,得出初步结论。掺气减蚀效果不仅与掺气浓度有关,而且还与气泡尺寸有关,低于10-3m级尺寸的气泡对空泡溃灭冲击波的削弱作用不可忽略;其他条件一定时,气核数目增大,会促进空化现象的发生。     

空蚀冲击波模式下气泡尺寸在掺气减蚀中的作用

根据纵波在气液两相流（泡状流）中传播时的衰减规律，从理论上详细探讨了水中单个小气泡、气泡群对压力冲击波衰减所起的作用。结果表明小气泡的尺寸或气泡群的最大概率尺寸是减缓压力波强度的关键因素。给出了减缓已知频率的空化压力冲击波的最有效气泡半径（最大概率半径）的计算公式，对应各种不同的气泡尺寸（最大概率尺寸）压力衰减程度的计算公式。这有助于从微观上深入理解掺气减蚀的机理以及认识掺气减蚀的保护作用。     

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。     

某溢洪道掺气方案优化研究

高水头、大流量的泄水建筑物中易发生空蚀破坏,结合西北某水电站溢洪道工程实例,通过单体水工模型试验,开展溢洪道掺气减蚀研究。试验结果表明:各洪水频率条件的溢洪道泄槽流速较大,水流空化数小于0.3,需要设置掺气减蚀设施。通过分析3种不同掺气设施的减蚀效果可知,挑坎式掺气能缓解空蚀,但下游伴有不同程度的溅水;凸型坎掺气能形成稳定的空腔,且下游无溅水发生;坎槽式可使泄槽内形成稳定的空腔和流态,且易施工,为最优掺气设施。在最优掺气设施中,掺气坎至鼻坎前端掺气浓度较高(0.9%～63.1%),掺气效果良好,达到了掺气减蚀目的。研究结果可为该工程后续消能防冲研究及类似工程的掺气减蚀研究提供理论指导与技术支撑。     

泄水建筑物中的掺气技术研究与实践

掺气技术是避免高水头泄水建筑物遭受空蚀破坏的重要手段,为明晰各类掺气技术在工程中的应用情况,对泄水建筑物中传统底部掺气技术、底部掺气新技术、环形掺气坎技术和旋流掺气技术等掺气技术的工作原理、工程应用及各自的适用条件进行了综述,总结了不同工程中体形尺寸和水力条件等对空腔长度、掺气浓度、通风量等掺气技术指标的影响。针对当前高水头、大流量泄水建筑物不断增多的情况,指出多种掺气技术的耦合应用、新型掺气技术的理论分析、气泡的微观机理研究是今后掺气技术研究的重点。     

高速掺气水流的气泡级配

用针式掺气流速仪观测高速掺气水流中气泡的数量和直径。将小浪底工程泄洪洞中闸室原型与模型中相应测点的气泡资料对比后表明，原型中d＞2mm的气泡基本符合重力相似准则，可以在模型中模拟。     

底部掺气设施水流掺气量的计算

掺气减蚀是高速水流泄水建筑物减免空蚀破坏的重要措施。为了有效地实现掺气减蚀,必须使通过掺气设施后的强迫掺气水流达到一定浓度的掺气量。利用本文提出的掺气坎射流轨迹的微分方程计算出了掺气空腔长度,并通过掺气坎供气系统的供气量与水流掺气量的平衡,给出了一种通过计算掺气坎射流空腔负压来确定水流掺气量的计算方法。计算结果与试验结果吻合良好。利用该方法,可对通风系统和掺气坎的设计体型进行初步验算,以判别掺气设施能否满足掺气减蚀要求。     

清水及浑水高速流掺气和掺气抗磨的研究

本文介绍时明流泄水建筑物高速水流自掺气、槽坎人工掺气以及含沙浑水掺气抗磨的系统研究。通过理论分析、室内试验和原型观测的综合探索。已取得一系列重要研究成果:明流自掺气、人工掺气的掺气最和掺气浓度分布、槽坎掺气减蚀设施的掺气保护长度、含沙水流掺气特性和掺气抗磨效果以及掺气水流的模型律和尺度效应等。     

自由液面附近空化泡的溃灭特性

研究自由液面附近空化泡的溃灭特性对认识水利水电工程中的空蚀破坏机理具有重要意义。为进一步认识自由液面附近空化泡的溃灭特性,开展了电火花激发空化泡试验。结果表明:(1)空化泡与自由液面距离较近时总是背离自由液面溃灭,背离的临界条件为空化泡与自由液面的距离约是空化泡最大半径的5倍。空化泡尺寸越大或空化泡与自由液面距离越近,其背离现象越明显。(2)自由液面附近双空化泡相向溃灭融合,且融合体背离自由液面移动。(3)在自由液面和空气泡的共同影响下,空化泡的溃灭方向是二者分别对空化泡作用的矢量和。通过本文研究,对自由液面附近空化泡的溃灭有了定量认识,可以在一定条件下预测空化泡的溃灭方向。     

INTERACTION OF A CAVITATION BUBBLE AND AN AIR BUBBLE WITH A RIGID BOUNDARY

The motion of a spark-induced cavitation bubble and an air bubble near a rigid boundary is experimentally studied by using high-speed photography. Several dimensionless parameters are used to describe the geometrical configuration of the bubble-bubble-boundary interaction. The bubble-bubble interaction can be considered in two different conditions. The cavitation bubble will collapse towards the air bubble if the air bubble is relatively small, and away from the air bubble if the air bubble is relatively large. The two zones are identified in the bubble-boundary interaction, and they are the danger zone and the safety zone. The relative position, the bubble-boundary distance and the bubble-bubble distance play important roles in the bubble-bubble-boundary interaction, which can be considered in several conditions according to the responses of the bubbles. Air jets are found to penetrate into the cavitation bubbles. The cavitation bubble and the air bubble (air jet) move in their own way without mixing. The motion of a cavitation bubble may be influenced by an air bubble and/or a rigid boundary. The influence of the air bubble and the influence of the boundary may be combined, like some thing of a vector.     

Experimental study of the interaction between the spark-induced cavitation bubble and the air bubble

Experiments are carried out by using high-speed photography to investigate the interaction between the spark-generated cavitation bubble and the air bubble in its surrounding fluid. Three problems are discussed in detail： the impact of the air bubble upon the development of the cavitation bubble, the evolution of the air bubble under the influence of the cavitation bubble, and the change of the fluid pressure during the development of a micro jet of the cavitation bubble. Based on the experimental results, under the condition of no air bubble present, the lifetime of the cavitation bubble from expansion to contraction increases with the increase of the maximum radius. On the other hand, when there is an air bubble present, different sized cavitation bubbles have similarity with one another generally in terms of the lifetime from expansion to contraction, which does not depend on the maximum radius. Also, with the presence of an air bubble, the lifetime of the smaller cavitation bubble is extended while that of the bigger ones reduced. Furthermore, it is shown in the experiment that the low pressure formed in the opposite direction to the cavitation bubble micro jet makes the air bubble in the low pressure area being stretched into a steplike shape.     

HYDRAULIC RESEARCH OF AERATORS ON TUNNEL SPILLWAYS

The selection of the configuration and size of an aerator was of importance for a tunnel spillway under the conditions of high speed flows. Experimental investigations were conducted on the effects of entrained air on the tunnel spillway in the Goupitan Project, based on the criterion of gravity similarity and the condition of aerated flow velocity of over 6 m/s, with physical models. The configurations of the aerators were presented of a larger bottom air concentration, to protect the tunnel spillway from cavitation as well as to see no water fills in the grooves.     

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．     

掺气水流不同粒径气泡运动特性研究

采用三维数值模拟方法和离散相模型(DPM模型)模拟了不同比尺高水头直槽式泄洪洞和带反弧泄洪洞掺气水流中不同粒径气泡的运动特性,分析了不同粒径气泡对近壁掺气浓度的影响范围,研究成果可为掺气浓度的缩尺效应提供依据。分析表明,气泡的影响范围与流速成正比,与气泡的粒径成反比;泄洪洞底坡越小,气泡的影响范围越大;泄洪洞反弧段半径越大,气泡的影响范围越大。     

CAVITATION CONTROL BY AERATION AND ITS COMPRESSIBLE CHARACTERISTICS

1. INTRODUCTION So far a lot of high dams that are greater than 100 m in height have been constructed in China. And many super high dams over 200 m in height, such as those at the Ertan and Longtan Hydropower Stations, were completed or are under construc…     

基于数字图像处理的掺气浓度测量研究

通过试验室研究,借助高速数码摄像机,结合面向对象的VC高级编程技术,开发掺气浓度图像分析软件,提出一种自动识别水气二相流中气泡的数字图像处理方法,并进一步给出计算二维、瞬时掺气浓度场的算法。图像处理技术与水气两相流实测研究相结合的尝试和探索,体现了多学科的交叉。研究成果将提高对高速水流掺气机理的认识,为今后进一步深入研究图像处理技术在水流流场特别是高速水气两相流流场测量中的应用打下良好的基础,对提高掺气浓度的测量水平和精度,进而提高水力模型试验水平、满足工程设计要求等都具有较高的学术意义和实用价值。