明流泄洪洞内水面失稳现象及对掺气设施水力特性的影响

目前，大型明流泄洪洞的泄流安全问题十分突出，过去的研究中还有一些问题没有受到重视，比如泄洪洞中高速运动水流水面失稳形成的气雾流的运行特征及其对掺气设施影响等。本项目拟以水-气分界面的失稳现象为中心，通过机理模型实验和数值模拟，研究泄洪洞内高速运动水流水面的变形和失稳破碎现象及其对掺气设施掺气效果和补气方式选择的影响。具体内容包括：不同体型和水流时明流泄洪洞内水面变形的原因及其量化；水流水面失稳、破碎的条件及影响因素；气雾流的进一步发展机制及其在不同体型泄洪洞内的运动特征；明流泄洪洞内水面失稳现象对掺气设施掺气空腔长度、浓度等水力特性和补气的影响。本项目旨在揭示大型明流泄洪洞内水气交界面失稳后形成的气雾流对掺气空腔的作用规律，为补气方式的改进等泄洪洞体型优化设计提供理论依据和技术支持。

本项目以明流泄洪洞内水气两相交界面的失稳机理研究为核心，利用机理模型试验、紊流数值模拟和理论分析相结合的方法，对高速水流水面失稳机理，水面失稳后形成的气雾流流动特征，补气方式对掺气设施水力特性的影响等相关内容开展了研究。研究结果表明，当壁面边界层发展到水面后，水面开始发生变形；糙率、流速增加，会导致水面变形变大；水深越大，水面相对变形越小。利用激光片光源和高速摄像机对不同流速水流水面失稳过程进行了观测，捕捉到了水面失稳的过程；基于涡体动力学理论，分析了水面失稳的机理，推导出针对泄槽水流水面失稳临界条件的判别公式。对掺气水深计算公式进行了修正，给出了泄洪洞洞顶余幅计算公式。给出了一个掺气坎后射流紊动扩散角的修正公式，采用修正后的出射角计算的掺气空腔长度更加合理。对典型体型明流泄洪洞的需气量、流场特性进行了计算，通气方式对需气量影响不大，但对洞内气流流场结构影响很大。雾化气流密度增加，会引起补气量和空腔负压减小，进而导致掺气空腔长度变短。在大型明流泄洪洞上布置掺气减蚀设施时，应该设置独立的通风补气系统，不建议直接从洞内补气。通风洞和补气管道应尽量短、顺、直。研究成果可用于指导和完善泄洪洞的水力设计，可为降低大型明流泄洪洞的运行风险提供技术支撑。