水流紊动流速作用下过渡区掺气浓度分布变化规律研究

本研究成果包括三方面内容：一、应用先进的激光测速仪测量了均匀流和设置掺气坎后水流的垂向脉动流速强度，得知均匀流垂向脉动流速强度接近水流摩阻流速；掺气设施可使此值增加4倍以上然后沿程迅速衰减。对此已总结出经验性计算公式。二、完成强迫掺气后掺气浓度分布沿程变化过程的模拟。以单个气泡随机游动过程的模拟为基础得到挑坎后水流掺气浓度分布沿程变化过程的解，与小湾和冯家山的实测资料对比，两者十分接近。研究表明掺气减蚀有效保护长度远大于现行的经验性取值，有明显经济效益。三、完成自掺气过渡区掺气浓度变化过程模拟。在大量系统试验基础上解决了表面气泡源入气强度的确定方法。计算与实测资料一致。

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。

自由紊动射流可以分为两个区三个段。

从速度分布来看可分为核心区和边界层（又称混合区）：由喷口边界起向内、外扩展的紊动掺混部分为紊流剪切层混合区；未受到掺混影响，保持原理啊出口流速的中心部分为核心区。

从紊动发展情况来看可分为初始段、主体段和过渡段。其中从出口到核心区末端为射流的初始段；紊流充分发展以后的部分为主体段；主体段与起始段之间为过渡段。过渡段很短，在分析中为简化起见，一般不予考虑。

实验表明：在自由紊动射流起始段的混合区和主体段内，纵向流速分布有明显的相似性，也称自保性；射流边界的扩展是线性的，主体段的扩展率略大于起始端。