大流量阶梯式溢流坝消能机理及掺气和空化特性研究

溢流坝面阶梯式消能工式一种经济高效的消能方式，但在大单宽流量时通气难和易产生空蚀破坏，其应用受到限制。本项目将从水流内部结构出发，深入探讨其在大泄量条件下的消能机理和影响消能率的主要水力要素，以及阶梯坝面掺气条件、掺气浓度分布和空化特性；为其广泛应用提供科学依据。研究成果对该消能工的设计和运行有重要理论指导意义。 2100433B

高速水流与空气接触的界面，因水质点的紊动而导致气、水两相掺混的现象。

中文名称：掺气消能；英文名称：energydissipationbyaeration；

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。

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。