自掺气水流掺气发展区水力特性研究

利用高速摄影仪，采用数字图像处理技术，结合针式掺气仪，通过系列缓坡明渠掺气发展区水力特性模型试验，对有压出口后缓坡明渠表面自掺气的发生、发展过程进行详细的测量；研究自掺气发生点位置及其计算方法；揭示掺气发展区的发展规律及其与渠道坡度、水流速度之间的关系；揭示掺气发展区的掺气浓度分布及其沿程变化规律，以及掺气浓度的沿程变化与渠道坡度、水流速度之间的关系；研究掺气发展区水流速度的沿程变化及掺气对水流速度分布的影响；研究气泡尺寸及其概率分布在掺气发展区的变化规律；通过对比研究不同水流速度情况下气泡特性的差异，探索研究气泡尺寸的比尺效应；通过对比研究不同情况下掺气浓度及其分布的差异、气泡扩散速度的差异、气泡尺寸大小及其概率分布的差异等，研究表面自掺气模型试验的比尺效应。开展自掺气水流掺气发展区的基础研究，为水气二相流的研究开拓新的方向，并为有压出口接高速明流泄洪洞的工程设计提供可靠的理论依据。

通过大量的试验及理论分析，对有压出口后缓坡明渠表面自掺气的发生、发展过程进行了详细的测量，揭示了水流自由面在紊动作用下的形态演变及卷吸掺气过程，揭示了自掺气发展区的发展规律及其与渠道坡度，水流速度，水深之间的关系，揭示了掺气发展区内掺气浓度分布及沿程变化规律，研究了气泡尺寸及其概率分布在掺气发展区内的变化规律，揭示了细观水气结构特性与宏观掺气浓度之间的关系，并且建立了自掺气发展过程的预测方法，计算结果与试验及原型测量结果吻合良好。上述研究成果为水气二相流的研究开拓了新的方向，有助于加深对自掺气形成及发展变化规律的认识，也可为有压出口接高速明流泄洪洞的工程设计提供可靠的理论依据。