明渠气—水两相混合物掺气浓度分布的计算

本文应用紊动扩散方程，在假设流速及紊动扩散系数取值更符合实际分布的情况下，推导出明渠二维恒定流中掺气浓度分布的表达式．为了检验该数学模型的正确性，与实验资料进行了比较，结果表明，该模式的计算成果与实测资料吻合良好，这一研究成果对生产实践具有一定的指导性     

掺气紊动水流基本方程式的应用

本文给出了掺气水流的运动、连续、质量平衡、动量及能量诸基本方程式.考虑了在运动方程式中出现的浓度紊动应力项的重要意义,应用普兰特紊流的混合长度理论,对二元明渠掺气均匀水流的流速分布公式进行了推导.在邻近渠底部分,紊动受底边界约束,混合长度与对底距离成正比,流速分布与通常均质紊流相似,为对数曲线.在邻近水面的部分,紊动自由,混合长度为常值,流速分布为直线的.二分布式均与已有的试验结果符合.文中还继续根据分布式给出了谢才系数依据水流倾角、雷诺数、断面平均掺气浓度及渠底掺气浓度而变的表示式.     

自掺气水流流速分布

本文根据前人的实验资料，建立了一套计算自掺气水流流速分布的半经验半理论方法。提出了掺气对紊动有抑制作用，从而导致近底流速指数中指数大于1／7，并使自掺气水流的最大流速比不掺气水流的最大流速有所增大。公式的计算结果与实验数据相对比，结果基本一致。     

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。     

掺气水流掺气浓度缩尺影响的估计

根据紊动扩散理论和相似理论导出了掺气水流试验的9个模型相似律。研究表明，若要求掺气水流的掺气浓度原、模型相似，并按重力相似律引伸，则掺气气泡的上浮速度应和水流流速一样满足重力相似律。在模型采用和原型相同的介质，即水和空气进行试验时，由于气泡上浮速度不相似，引起掺气浓度巨大的缩尺影响，本文首次对这种影响进行定量估计。研究表明，模型的比尺λL应足够大，以减小掺气浓度的缩尺影响。     

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．     

紊流结构与掺气

在介绍溢洪道掺气模型上下游水流紊动量测结果的基础上，对水流紊动的各种影响因素作了分析，主要包括：试验水糟中不同挑坎角度和渠槽宽深比对水流紊动的影响；挑坎作为紊动源对水流紊动的影响，以及挑坎下游水舌在不同条件下紊动的衰减程度。本项研究旨在探索建立水流掺气预报的新途径。     

水垫塘不同水流结构区掺气浓度分布规律试验研究

为了得到水垫塘局部掺气浓度分布规律,减少过流边壁空蚀破坏的发生,采用水力学模型试验的方法,将水垫塘内水体进行水流结构分区,通过改变泄流流量、水流入射角度、水垫深度三个条件,实测水垫塘不同水流结构区掺气浓度值,研究气体在不同水流结构区的运动机理。对试验所测数据进行整理得到水垫塘不同水流结构区掺气浓度分布曲线,且不同的水力条件与其拟合近似为二次曲线关系。通过分析得到水垫塘不同水流结构区掺气浓度分布规律如下:各水流结构区掺气浓度随泄流流量增大而增大;射流与附壁射流区紊动掺混随泄流流量增大而更加剧烈;掺气浓度随水垫深度增大而减小;淹没射流区与旋滚区掺气浓度随水流入射角度增大而减小,附壁射流区掺气浓度随入射角度增大而增大,但变化不明显。     

均勻水流摻气的紊动扩散

文中根据在高速水流情况下,紊动为各向同性的假设,应用紊动扩散理论对二元的掺气均匀水流水中含气浓度和水面上气中含水浓度分布进行了分析。给出了极限状态亦即掺气发展为充分情况下的浓度分布无因次分析式;在气中含水部分为指数函数,而在水中含气部分为双曲余弦函数。经与已有试验资料作比较,指明水中含气浓度的分析与试验结果符合。气中含水浓度的分析虽与试验结果有差异,但实际情形为分析中出现的无因次参数的函数。对发展状态的浓度分布仅给出了积分式。全部分析连系到水流的深度、倾斜度、流速、水滴和气泡的下降和上升速度、以及紊动的特性诸因素。     

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     

RESEARCH ON AIR CONCENTRATION DISTRIBUTION IN SELF-AERATED OPEN CHANNEL FLOW

A theoretical investigation of air concentration distribution in self-aerated openchannel flow is presented in this paper.Research indicates that,if the aeration ratio is high,theinteraction between air and water should be taken into consideration and the turbulent transportequation be modified properly.The calculating models of the rising velocity of air bubbles andthe coefficient of turbulent diffusion are derived.The united air concentration distribution for-mula for upper and lower regions is then obtained.The analytical solutions show good agreementwith the measured data.     

Self-aeration of open channel flow

It is suggested that the cause of self-aeration in open-channel flow occurs when the turbulent normal stress exceeds the gravimetric pressure. A criterion for the start of self-aeration is established on this basis. A computational four-layer model of an aerated flow is proposed. It is also proposed that the equation of turbulent diffusion be used to calculate the distribution of air concentration along the normal to the bottom. Results are compared with experimental distributions of concentrations, and a satisfactory relationship is obtained.     

高速掺气水流数值模拟研究

应用FLUENT商用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不足的状况,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。说明在合理构建相间相互作用力的基础上,采用双流体模型可较好地模拟高速水流掺气现象。     

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

明流泄洪隧洞中自掺气水流浓度分布及其计算

通过对明渠和明流隧洞中自掺气水流的对比试验，研究了明流隧洞中洞顶的存在对掺气浓度分布的影响。试验结果表明：洞顶的存在可导致洞顶附近掺气浓度分布随高度的增加而减小的情况，同时，在水点跃移区的中上部高含气段，掺气浓度亦有所减小，甚至全断面掺气浓度均低于99%.根据有无顶盖时水点通量守恒的条件，建立了一个计算明流泄洪隧洞中自掺气水流掺气浓度分布的理论公式，并在适当的假设前提下，对公式作了简化并对洞高分别为9cm和10cm情况下，不同流量、不同余幅的掺气浓度进行了计算，计算结果与试验资料吻合较好。     

论悬移质含沙量沿垂线的分布

按扩散理论、二相流理论、湍流猝发理论和随机理论对悬移质含沙量沿垂线分布的近期研究成果进行了分析、归纳和总结.得到了一个与张红武分布公式等价，但更简单，应用更方便的结果，给出了应用实例.推导了基于二相流理论、湍流猝发理论和随机理论的悬移质垂线分布的解析公式.     

明渠自掺气水流掺气浓度分布研究

本文利用明渠水流垂向脉动流速正态分布假设，从水滴自由跃移及撞击分析出发导出跃移区水团浓度分布函数。同时，利用悬移区气泡扩散理论，修正界面外的应力关系，推求出悬区气泡浓度分布函。分布函数在界面处具有一阶连续导数，并由此可以求出界面浓度Ｃｒ。经与实验资料率定，给出了各参数的经验关系，并与室内试验实测浓度分布吻合良好。     

AERATION EFFECT OF SUBMERGED JET ON HYDRAULIC CHARACTERISTICS

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＪｅｔｆｌｏｗｈａｓｂｅｅｎｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ .Ｉｎｄｅｓｉｇｎ ,ｈｏｗｅｖｅｒ,ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｃｏｍ ｐｌｅｘｉｔｙｏｆｐｒｏｂｌｅｍａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｉｃ     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON SOUND SPEED PROPAGATING THROUGH HIGH SPEED AERATED FLOW IN OPEN CHANNEL

An experiment concerning the sound propaga-tion in aerated open channel flow was designed and conductedin a variable slope chute. The acquisition of sound data wasdone by the hydro-phones installed into the bottom wall of thechute. The data were analyzed and processed by the tape re-corder and a 3562A analyzer. The primary experimetal resultsindicated that the sound speed in aerated flow is varied with the air concentration and highly lower than each of the soundspeed in pure water or air. As released by the derived theoryformula, the minimum sound of 24m/s in aerated flow hap-pened when the air concentration achieved to 50%. This resultshows that the compressibility of high speed aerated flowshould be considered when the air concentration is near to50%. A criterion of compressibility of high speed aerated flowwas also giv. En in this paper.