三维全断面掺气水流特性研究

Cavitation damage on the sidewall occurs frequently in a tunnel with high water head, large flood discharge.Side wall aerator is an important method to avoid such damage. In this project, 50 m/s high-speed jet device and large changing slope steep slot be used and the scale of high-speed flow from 10 m/s to 50 m/s can be gained. In the research, 3D full section aerators will be presented to study the hydraulic characteristics of the flow around the aerator.Series model test, the theory analysis and numerical simulation combined with the research method of the system, the comprehensive research facilities with the shape parameter will be used to explain the flow regime, air concentration distribution in the flow along the horizontal and vertical direction. Aerated diffusion, cavity characteristics, flow pressure near the side wall will be researched. Calculation formula will be obtained for calculating the cavity length on the floor and the cavity length on side wall. The mutual influence will be studied between the cavity on the floor and the cavity on side wall.The mechanism of the flow about the aerated flow from side section will be got and compared with the aerated flow from the bottom section.The quantitative depict will be obtained about in the process of the gas bubble buoyancy effect and the turbulent character of the flow. The speed effect will be explored with model tests.Try to puts forward three dimensional whole section of the mixed gas facilities optimization method and principle by this project. Therefore, The project research not only has the important theoretical guidance, and has the significant practical significance.

高水头、大流量泄洪洞反弧段和突扩突跌掺气设施下游侧墙发生空蚀破坏的工程实例屡见不鲜。本项目拟采用模型试验、理论分析计算拟相结合的研究方法，引入气泡浮力效应和水- - 气界面紊动强度效应，建立能够全面准确反映水流掺气机理的动力学模型。重点测试掺气水流扩散规律、空腔形态、壁面压力和掺气浓度分布规律；分析边墙折流器与底掺气坎的体型变化对侧、底掺气空腔形态和长度的影响；定量刻画底、侧掺气空腔受两种效应作用的动力学机制；了解侧空腔水流掺气浓度远低于底空腔的内在原因；掌握掺气浓度沿程衰减规律，为掺气保护长度提供科学实验依据；利用50m/s量级高速射流装置和大型变坡陡槽获得10m/s-50m/s高速水流，着重研究水流掺气与扩散过程中的气泡浮力效应和水-气界面紊动强度对掺气的贡献率；探寻三维全断面掺气水流可能存在的速度比尺效应；提出合理准确预测原型工程的模型相似率及换算公式。研究具有重要的理论意义和现实价值。

针对高水头、大流量泄洪洞全断面三维掺气过程的动力学机制存在的差异性等基础性课题开展了系统深入的研究，分析了掺气设施水力学特性及其变化规律以及底掺气和侧掺气过程中掺气效果产生明显差异的内在原因，提出了改善掺气效果的水力学条件及其体型优化方法；初步揭示了掺气设施水力参数的相似率及其缩尺影响；为高水头大流量泄洪洞掺气减蚀技术进步和设计优化提供了理论支撑和实验依据。成果包括：.提出气泡浮力——界面紊动耦合效应及其对掺气的作用；基于紊动扩散理论分析得出了三维全断面掺气界面掺混形态及掺气浓度分布计算公式；获得了全断面掺气水流空腔区的掺气层厚度沿程扩散率规律；揭示了空腔区的表面、底部和侧面掺气层厚度范围内的断面流速分布规律；揭示了三维全断面掺气水流空腔区掺气层内气泡数量和尺寸分布均具有自相似性；揭示了空腔区掺气水流宏观掺气浓度与细观掺气泡数量频率及尺寸之间的关系。.主要研究进展包括：1）得到了突扩突跌弧形闸后水流流态、掺气空腔、壁面压力、水流空化数等水力特性，提出了弧形闸门局开时计算空腔长度的改进公式和体型优化方法。2）揭示了反弧段增设侧掺气设施能够形成全断面掺气，消除边墙的清水区的动力学机制，优化体型对侧墙和底板均能起到很好的保护作用。3）高速泄水建筑物的边墙侧扩易诱发空化空蚀，高水头泄洪洞采用侧扩体型应尽可能地减小扩散角，并且避免闸门局开运行。4）曲线阶梯底板水平面压强沿步长方向呈倒“S”曲线分布，底板竖直面呈“C”字型分布。5）提出水——气界面紊动作用和气泡浮力作用机制；分析了三维掺气条件下两种作用演化过程； 6）揭示了空腔区掺气水流宏观掺气浓度与细观掺气泡数量频率及尺寸之间的关系。上述研究成果为水利水电工程泄水建筑物掺气减蚀设计优化提供了科学依据。本项目完成情况如下： 1）完成了4册研究进展报告（3册年度进展报告、1册研究总报告）。2）发表学术论文12篇（均已标注），其中8篇SCI收录论文、3篇EI收录论文。3）培养博士研究生2名（1人已毕业）、硕士研究生3名（2人已毕业）。4）培养中青年科研骨干1名。