高水头明流泄水建筑物侧墙空蚀机理及掺气减蚀

高水头及超高流速条件下防止泄水建筑物的空蚀破坏是我国当前水电工程建设中亟待解决的关键性技术难题。基于空化空蚀机理的复杂性，迄今为止国内外尚未寻找到成熟有效的防范手段；特别是高水头明流泄水建筑物侧墙上的掺气减蚀问题，相关研究工作成果报道甚少。本申请项目拟采用理论分析、模型试验和紊流数学模型相结合的手段开展研究，重点弄清高水头明流泄水建筑物侧墙空化特性和空蚀破坏机理；在此基础上深入研究侧墙掺气水力特性、侧空腔形成和影响因素、以及侧墙掺气的水力计算方法，分析探讨侧墙掺气与底部掺气水力参数之间的关系；揭示侧墙掺气减蚀机制，提出有利于加强侧墙水流的掺气量、消除或减小侧墙清水带的新型掺气减蚀保护方法和设施。研究成果具有重要工程实用价值和科学意义，对我国诸多在建及待建的高水头大流量泄水建筑物的设计与安全运行具有普遍指导意义。 2100433B

掺气减蚀设施，对泄水建筑物的高速水流进行人工掺气,以削弱空化及其溃灭压强而使水流固体边壁减免空蚀破坏的工程设施。例如,在易出现空化的溢流面上设小挑坎,坎下有通气槽与大气相连,急流过坎时局部脱离形成空腔,高速水流底部就会有空气自动被卷吸掺入,水流底部含气层使气泡不会立即散逸;在掺气设施下游相当长范围内可有效防止空蚀破坏。广泛用于高水头泄水建筑物中。

防止泄水建筑物的空蚀破坏是高坝建设中的关键问题之一。掺气减蚀被大量工程实践证明是有效而经济的防空蚀破坏技术。在特殊的水力及边界条件下，不仅流道的底板而且边墙也会遭空蚀破坏。为避免泄水建筑物全过水断面受到空蚀破坏，必需采用侧墙和底板联合掺气减蚀措施。但是，目前缺乏这方面的系统而有效的研究。本项目拟通过试验、理论分析并结合紊流数值模拟的方法开展侧墙与底板联合掺气减蚀的水力特性研究，揭示侧掺气机理与底掺气的差异，研究侧掺气和底掺气设施联合作用时二者的相互影响及作用的基本规律、研究泄水建筑物侧墙和底部联合掺气的综合水力特性，获得三维或全断面良好的掺气水力特性，提高全断面掺气设施的有效性并探讨联合掺气设施的有效保护范围。研究成果对解决三维掺气减蚀技术难题及更好的应用该技术具有促进意义。研究项目具有较为重要的理论意义及应用价值。已初步具备的研究工作基础及条件可保证该研究项目的顺利实施。

水利工程中泄水建筑物在下泄高速水流时常会遭受空蚀破坏。掺气减蚀已被理论和大量的工程实践证明是一种相对简单、经济和行之有效的减蚀措施。在特殊的水流及边界条件下，不仅流道的底板，而且其边墙也会受到空蚀破坏。采用侧墙和底板联合掺气设施是避免泄水建筑物全过水断面遭受空蚀破坏的一种重要途径。由于底、侧掺气设施会相互影响，使得底侧联合掺气设施的掺气水流特性比单独的底掺气或侧掺气水流特性更为复杂。本项目研究主要采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法，对有压洞出口突扩突跌掺气设施和陡槽底、侧联合掺气坎的掺气水流特性进行研究。主要研究了突扩突跌掺气设施水流流态、临界工作水头及影响因素、底侧空腔长度及相互影响关系、过流底板和侧墙的脉动压力特性，水流掺气浓度分布规律以及底板和侧墙掺气保护长度。对明流陡槽，主要研究了自掺气水流特性、单独侧掺气坎和底掺气坎掺气水流特性、底侧联合掺气坎掺气水流特性，包括底、侧掺气空腔及影响因素、陡槽底板、侧墙壁面的时均压力和脉动压力特性。得出突扩突跌掺气设施后形成良好掺气水流流态的临界工作水头随明槽底坡的增大而减小。突扩宽度对底空腔长度有明显影响，而突跌高度对侧空腔长度几乎无影响。掺气设施后底板和侧墙的脉动压力特性随流动区域不同而发生变化，稳定区的脉动压力分布更接近于正态分布。侧掺气量和底掺气量在不同的流动区域对水流总掺气量的贡献率不同，且随流量的变化而发生变化。陡槽中，由与单独底坎和单独侧坎构成的联合掺气坎的保护长度为单独底坎的1.1倍、为单独侧坎的1.8~2.0倍。紊流数学模型数值模拟结果与试验结果吻合较好，表明紊流数学模型能较好的模拟掺气水流特性，但掺气浓度的模拟结果误差相对较大，数值模拟方法还需进一步改进。本研究所得结果对更好的了解和揭示底侧联合掺气设施的掺气水力特性有较好的促进作用，也可为底、侧联合掺气设施更好地服务于实际工程提供有益的借鉴。 2100433B