通气挑坎射流的挟气能力

近年来,国内外都有人研究利用水流掺气来减免水工建筑物的空蚀破坏。目前,在设计通气防蚀设施时,一般都通过水工模型试验来选定布置方案.但是,模型试验的某些指标,如通气量、掺气浓度等,如何引伸到原型,目前仍在研究中.因此,探求确定这些指标的方法就显得非常必要.本文拟对通气挑坎射流的挟气能力,即射流空腔中通气量的确定进行讨论.此种射流的挟气能力直接与空腔长度有关.因此,本文前半部分讨论了与挑坎射流挟气能力密切有关的射流空腔长度,提出在利用刚体抛射公式计算射流空腔长度时,应进行修正,给出了射流出射角修正系数A、能量损失系数B和距离校正系数C.后半部分讨论了挑坎射流挟气能力,以试验资料为依据,分析了射流掺混区掺气扩展深度;并对空腔终点断面的掺气量进行积分而求得单宽通气量.     

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     

掺气挑坎下游的含气浓度分布

采用挑坎掺气减蚀设施,整个过水道上需要设置几道挑坎,必需解决的问题之一就是掺气设施的保护长度问题。显然如果能掌握挑坎下游耗散区的含气浓度分布,确定其保护长度的问题就迎刃而解。为了达到这一目地,作了应用紊动扩散理论来描述挑坎下游耗散区的含气浓度分布的探索。     

以淹没射流的观点估算窄缝挑坎外缘射流抛射距离

流速系数的大小直接反映了溢流面上的能量损失,决定了反弧鼻坎上平均流速的大小,从而影响着水舌挑距的计算结果。以淹没射流的观点估算窄缝挑坎理论挑距,其结果和实际运行情况基本吻合,说明所得公式有一定的精度。     

通气减蚀挑坎水力学问题的试验研究

本文仅对通气减蚀设施中应用较普遍、体型最简单的陡坡上微突挑坎进行了较系统的试验研究。文中就挑坎高度、坎后空腔的长度和轮廓,空腔末端断面水流掺气情况,底板承受的动水压力,沿壁射流底层的挟气能力等,按自模、相似原理进行了试验分析,给出了一系列经验性拟合方程。最后,根据沿壁水流掺气状况的演变资料,讨论了通气减蚀设施的防蚀保护范围,并提供了估算方法。     

溢洪道掺气设施和挑坎体型模型试验

对拟建的LZP水库溢洪道进行水工模型试验研究,结果表明:原方案中掺气槽的设计位置不佳,致使水流无法进行充分调整、掺气保护长度不能被充分利用;原设计挑坎体型欠妥,由于溢洪道出口位置河道狭窄且溢洪道轴线与河道夹角过大,出射水舌对河道右岸有严重冲刷现象。针对以上工程问题,提出上移掺气槽与底板镂空异形挑坎两个方案,并分别进行优化试验,研究结果证明:底板镂空异形挑坎方案对出射水舌的纵向拉伸效果较好,避开了右岸边坡且水流流态也更趋稳定;调整后的掺气槽布置位置合适,空腔形成良好,能够充分发挥功效。     

紊流边界层挟气能力的研究

本文通过试验和理论分析,对紊流边界层内紊动扩散系数的分布规律进行了研究,认为扩散系数在边界层内区和外区都可近似看成是直线变化。根据跟随性理论,计算了一般水流频率情况下,水流中可含的气泡直径,从而得出计算气泡上升速度的公式。文中还从输运基本方程出发,推导了掺气水流含气量的计算公式,提出了掺气减蚀保护长度主要是指边界层内紧靠边壁中含气浓度C≥7％的距离的概念,并考虑了掺气浓度沿程的变化,从而导出计算掺气保护长度的计算式.     

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。     

挑坎下游高速掺气水流的数值模拟

应用FLUENT软件及其二次开发技术,采用双流体模型及混合k-ε湍流模型对带有掺气挑坎的陡槽高速掺气水流进行了二维数值模拟。根据掺气水流的特点,重点对相间阻力模型进行了改进,特别在构建相间阻力本构关系式时考虑了湍流扩散的影响。计算结果表明,在相间阻力模型中考虑湍流扩散的影响,可明显改善以往数值计算对水流掺气估算偏低的状况,使掺气浓度的分布和掺气量的计算结果与试验数据符合更加良好,说明湍流扩散对掺气浓度的分布有重要作用。当采用双流体模型模拟掺气水流时,相间作用力模型应考虑湍流扩散的影响。     

基于出射流速的反弧鼻坎挑距计算

为了提高挑距计算精度及进一步补充和完善挑距理论计算方法,从出射流速的角度提出水舌上、下缘挑距的计算方法。该方法基于反弧鼻坎上流线同心圆假设,同时考虑反弧段离心力压强和静水压强,推导了鼻坎反弧段势流流速分布函数,利用出坎断面流速分布函数,得到水舌上、下缘出射流速的理论计算式,从而实现水舌上、下缘挑距的计算。采用模型试验和原型观测资料对计算方法进行了验证,结果表明,在相对出坎水深为0.15～0.25范围内,该方法对水舌上、下缘挑距均有较好的计算精度。     

预测挑流鼻坎自由跌落射流产生的冲刷深度

预测挑流鼻坎自由跌落射流产生的冲刷深度［土耳其］Ｄ．伊耳边兹等主题词挑流鼻坎，挑流消能，冲刷深度，水力计算，经验公式，原型观测近几年中，过坝洪水消能要求的特征是利用挑流方式消能，在长陡槽及隧洞末端布置鼻坎挑射水流。在某些地形和地质条件下，与消力池相比...     

圆弧鼻坎射流水舌起挑角的试验研究

基于圆弧鼻坎挑射流物理模型试验,考虑脉动流速对水舌上缘挑角的影响,研究上缘起挑角的理论公式;通过引入两个系数同时考虑脉动流速和断面水深对下缘起挑角的影响,选用49组试验数据,采用误差分析方法,提出下缘挑角的半经验半理论公式。与前人的公式相比,上缘挑角的理论公式形式简单,下缘挑角公式考虑因素较多。两公式误差均小于13%,用于计算进口水平和倾斜渠道后接圆弧鼻坎挑射流水舌上、下缘起挑角是有效的,进而确定射流冲击点位置和冲击区范围也是有效的。更多还原     

窄缝挑坎倾角对射流扩散减冲效果试验和挑距计算

本文通过试验得到了坝内深孔出口窄缝挑坎倾角变化对射流扩散，下游向床冲刷及冲刷坑起坑点影响的成果，另外，还提出窄缝挑坎射流上，下缘挑距计算式，经验证计算值与试验值基本一致。可用于工程计算。     

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．     

通气坎下游掺气浓度分布的研究

本文从气泡输移方程出发,结合原型和模型实测资料分析,给出了平直底板通气挑坎下游水流底部的掺气浓度沿程演变规律、相应的保护长度及含气量沿程递减率等计算公式。并在计入水流速度、气泡上浮速度和紊动扩散系数的沿程变化的情况下,求得了不计表面自掺气影响的气泡输移方程的理论解。实例验证,本文的有关结论和相应的计算方法是适宜的。     

挑坎掺气槽过流空腔区掺气特性的研究

本文探讨了挑坎掺气槽过游空腔区的掺气特性。对掺气机理、临界掺气所条件、所泡上浮特性、紊动扩散系数、断面含气液度和通气量进行了较详细的理论分析。主要结果得到实测资料的验证。     

挑坎掺气在岔河水库溢洪道中的应用研究

对于中、高水头泄水建筑物,空化水流易诱发结构空蚀破坏。基于岔河水库溢洪道原设计体型,通过模型试验,研究在泄槽抛物线段上、下游侧增设不同体型掺气坎对空化水流的影响。成果表明:挑坎布置于下游侧,散水现象明显,随流量增大,下游泄槽流态恶化。挑坎布置于上游侧(挑角5°、坎高Δ=0.40 m),未掺气时,坎后射流空腔内充满回水,呈负压状态;下游泄槽空穴数上升,水流流态较为平顺;坎高增加,空穴数反而减小;强迫掺气条件下,坎后能够形成稳定的射流空腔,随挑坎高度增加,空穴数变化并不明显,泄槽水流流态反而更趋紊乱。     

掺气坎(槽)射流空腔长度的计算

从分析掺气坎(槽)射流微分水体受力的力学关系出发，考虑了空腔内负压及运动液体所受离心惯性力的影响，建立起射流水舌下缘液体质点运动轨迹的微分方程．提出一种通过物理力学概念求解射流空腔长度的计算方法，并分析了空腔内负压、挑角等水力参数对射流空腔长度的影响．计算结果与试验值吻合良好。     

拱坝高低坎挑流消能工鼻坎挑角的优化设计

我国近几年采用的一种新型消能工——拱坝高低坎挑流,其特点是两股水舌空中相撞(图1),空中消能率高,冲坑浅,冲距近。关于如何合理设计这种消能工,是有待解决的问题。本文针对给定高低坎位置的情况,探讨挑角的优化设计。     

扭曲型挑坎挑流的数值模拟

采用RNGK-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲型挑坎挑流进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑坎里的自由水面与挑流的空中轨迹线,得到计算域的速度、压强、湍动能K与湍动能耗散率ε的分布、内外挑距与水舌宽度,并与物理模型的试验结果进行比较,两者吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性、合理性。