掺气减蚀
空蚀掺气浓度的试验研究(
减免空蚀掺气浓度的试验研究*董志勇，居文杰，吕阳泉，丁春生（浙江工业大学建筑工程学院，杭州潮王路16号，邮编310032, E-mail: dongzy@bbb）摘要：本文在直流式水洞中用先进的量测仪器设备对减免空蚀的最低掺气浓度进行了系统的试验研究。
通过对不同掺气浓度、不同配合比砼试件的空化空蚀试验，提出减免空蚀最低掺气浓度与高速水流速度的关系，给出不同掺气浓度时空化区的流态，比较了空蚀区掺气与不掺气情形的时均压力，并系统地观察了空化空蚀噪声随掺气量的变化。
关键词：水力学；空化空蚀；掺气减蚀；最低掺气浓度An experimental study of air concentration to prevent cavitation erosionDONG Zhiyong, JU Wenjie, LU Yangquan, DING Chunsheng(Faculty of Civil Engineering and Architecture at Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, E-mail: dongzy@bbb)Abstract: Least air concentration to prevent cavitation erosion was experimentally investigated using non-circulating water tunnel. Three mixing proportions of concrete specimens were used for cavitation erosion with and without aeration. Relation between least air concentration to prevent cavitation erosion and flow velocity was developed. Flow regimes in cavitation region at different air concentration were observed in detail. Time-averaged pressures with and without aeration in cavitation erosion region were compared. And variation of cavitation noise with air concentration was systematically observed.Key words：hydraulics; cavitation; cavitation control by aeration; least air concentration1 前言随着我国水利水电事业的发展，高坝建设日益增多。
浅谈对三峡工程一点认识
四、水电站建筑物构成及布置
五、水力学有关问题
五、水力学有关问题
1. 泄水坝段旳整体水力学研究 2. 表孔、深孔、导流孔旳体型研究 3. 电站进水口研究 4. 厂、坝导墙水弹性力学研究 5. 深孔闸门止水问题
水力学有关问题
1. 泄水坝段旳整体水力学研究
整体水力学研究旳主要任务是，拟定枢纽 总泄洪能力，分析与改善在后期导流提前 发电期间和永久利用期泄洪坝段旳下游流 态、消能防冲措施以及运营调度等问题。
气蚀
概括地讲，掺气减蚀旳基本原理就是在泄槽高速水流区设 置掺气坎、槽，当水流经过掺气设施时产生分离，在其下 游形成掺气空腔，在高速水流旳紊动作用下，迫使大量空 气掺入水流中，对水流掺气，形成可压缩性旳水、气混合
体。当发电水轮机旳类型选择挑射水流重新回究竟板上 时，水流中抉带了大量旳空气，致使近壁水层自然掺 气。当近壁掺气浓度到达一定值时，在一段距离内旳 泄水建筑物过流表面可降低或防止空蚀破坏。
蓄清排浑”旳方式得到基本处理。“蓄清排浑”就是 利用三峡水库巨大旳入库水量，经过大坝设有旳２３ 个低高程、大尺寸旳泄洪深孔，在每年汛期水库水位 维持在１４５米时，将大量泥沙由深孔泄洪排出库外， 实现“排浑”；汛末，来水中含沙量降低，水库蓄水 至１７５米旳正常蓄水位，实现“蓄清”。
八、三峡发电水轮机旳类型选择
三、大坝选址及类型
图.重力坝
图.拱坝 图.拱坝工作原理
因为三斗坪坝址地形开阔，河谷宽达1000余m，右侧 有中堡岛顺江分布，两岸谷坡平缓。基岩主要为前震 旦纪斜长花岗岩，岩性均一、完整、力学强度高。
四、水电站旳构成建筑物
1、枢纽建筑物 挡水建筑物：坝、闸 泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、溢 流坝 过坝建筑物：过船、过木、过鱼 2、发电建筑物 进水建筑物：进水口、沉沙池 引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道 平水建筑物：前池、调压室 厂区枢纽：主厂房、副厂房、变电站、开关站等
水流掺气对明流泄洪洞及挑坎水力特性的影响
水流掺气对明流泄洪洞及挑坎水力特性的影响王才欢;侯冬梅;张晖;聂艳华【摘要】水流充分掺气可以避免高流速泄洪设施发生空蚀,但也会改变相关水力特性.通过对某大坝泄洪洞掺气设施水力模型试验及关于水流表面自掺气发生条件的相关分析,提出了在全程流速超过38 m/s,长度达550 m的明流洞内仅布置一级掺气设施的建议,较通常情况减少了两级;并针对泄洪洞出流方向与河道流向交角达60°的特点,研究提出了一种大差动异型鼻坎消能工.水工模型试验成果表明,其挑流水舌沿河道纵向扩散良好,水舌外缘与河道对岸保持了30 m以上的安全距离.该泄洪洞建成后经历了高水头、较长时间的泄洪运行,明流洞和鼻坎消能工均无空蚀发生,但挑坎水舌却冲刷到对岸边坡.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2017(048)023【总页数】6页(P74-78,88)【关键词】明流泄洪洞;水流掺气;异型鼻坎消能工;减阻增速效应;水舌挑距【作者】王才欢;侯冬梅;张晖;聂艳华【作者单位】长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TV653向水流中掺气是高流速泄洪设施减免空蚀破坏最经济、最有效的工程措施之一。
水流掺气分为人工强迫掺气和水流自掺气两种；人工强迫掺气是利用固体边界的突变形成水流掺气空腔，射流水体与壁面碰撞后吸走空腔中大量的空气，其特点是掺气水流仅局限于空腔以下一定范围内，且沿程掺气浓度衰减很快；而水流自掺气是指明流泄槽(或泄洪洞)内流速达到一定程度后，大量空气自水面掺入到水流中，并向水流底部发展的过程，其特点是水流中的平均掺气浓度沿程逐渐增大，并最终形成掺气均匀流。
在高流速、长距离明流泄洪设施内，水流中掺入空气为其减免空蚀破坏带来了益处，是工程师们乐于看到的效果[1-2]。
猴子岩放空洞掺气减蚀措施研究
中图分类号 ：Ｔ １ １３ Ｖ ３ ．
文献标识码 ： Ａ
ｄｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １０ ｏ：０ ３ ６／．ｓ ．０ ０—１７ ．０ ０ ０ ．４ ｓ ３９ ２ １． １０ ４ 则 设计 ， 为正态 模 型， 物理 量 的相 似关 系 为长 度 比尺 Ａ ＝ 各
８方程为
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篆 毒ｃ 篝 ＋ 一 譬 ＝ ［＋ ］簪 ｃ ： ｐ
（） ４
式 中：为时间 ；。 ｔ “ 和 分别为速度分量和坐标分量 ； ｚ ｐ４ 分别 为 密度 、 分子黏性系数 ； Ｐ为压 力； ｋ为紊动能 ； 为紊动 能耗 散率 ；
收稿 日期 ： ０ — ２ １ ２ ９ ０—０ ０
３ 数学模型
采 用 标 准 后 ｓ紊 流 模 型 控 制 方 程 ， Ｏ 一 Ｖ Ｆ法 跟 踪 水 气 自 由
１ 工程概况
猴 子岩水电站位于四川省甘孜藏族 自治州康定县 孔玉 乡，
是大渡河水 电规 划“ 三库 ２ ２级 ” 的第 ９级 电站 ， 接丹 巴梯级 上
水电站 ， 接长河坝梯 级水 电站。坝址处 多年平 均流量 为 ７４ 下 ７
时间 比尺 Ａ ｒ＝ｘ ． ：５ ９ 、 ｏ ．２ 压强 比尺 Ａ Ｐ：Ａ Ｌ：３ 、 ５ 糙率 比尺 Ａ ＝Ａ ＝１ ８ 。 ． １模型采用透 明有 机玻 璃制作 ， 压力测 量采用
测 压 管 。 计 最 大 泄 流 量 为 １０ ８ｍ ／ 。 压 段 沿 程 布 置 了 ５ 设 ６ ｓ 无 １ 个 测点。
２ 物理模 型
该 放空洞具有 高水头 、 底坡 的特点 。 型按重 力相似 准 小 模
作者简介 ： 刘军（９ ３ ） 男。 １８ 一 ， 河北张家 口人， 士， 硕 研究方向为水工水力学。
国家开放大学电大水利水电工程建筑物作业3答案
国家开放大学电大水利水电工程建筑物作业3答案一、单项选择题试题1：( )是在坝趾下游设消力池、消力坎等，促进水流在限定范围内产生水跃，通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击消耗能量。
标准答案1：底流消能试题2：( )是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后，形成强烈的旋滚，大部分能量消耗在水滚的摩擦中。
标准答案2：挑流消能试题3：( )适用于中、低坝或基岩较软弱的河道，高坝采用底流消能需经论证。
标准答案3：底流消能试题4：当空化水流运动到压力较高处，在高压作用下气泡溃灭，伴随有声响和巨大的冲击作用。
当这种作用力超过结构表面材料颗粒的内聚力时，便产生剥离状的破坏，这种破坏现象称为( )。
标准答案4：空蚀试题5：水流在曲面上行进，由于离心力的作用，或水流受不平整表面的影响，在贴近边界处可能产生负压，当水体中的压强减小至饱和蒸汽压强时，便产生( )。
标准答案5：空化试题6：高水头溢流坝为了防止空蚀破坏可以采取以下什么措施？( )。
标准答案6：设置掺气减蚀装置试题7：溢流坝下游反弧段的作用是( )。
标准答案7：使溢流坝面下泄的水流平顺地与下游消能设施相衔接试题8：溢流坝的工作闸门应满足( )。
标准答案8：动水中启闭试题9：溢流坝的检修闸门应能( )。
标准答案9：静水中启闭试题10：过堰水流约转90度后，再经泄槽泄入下游的岸边溢洪道，称为( )。
标准答案10：侧槽式溢洪道二、多项选择题试题11：关于消能工的设计原则，说法正确的有（）。
标准答案11：不产生危及坝体安全的河床冲刷或岸坡局部冲刷; 结构简单，工作可靠; 下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行; 尽量使下泄水流的大部分动能消耗于水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上试题12：拱坝常用的坝顶溢流方式有（）。
标准答案12：鼻坎挑流式; 自由跌流式; 滑雪道式试题13：常用的水闸闸孔形式有（）。
标准答案13：孔口型; 低实用堰; 宽顶堰试题14：常见的底流消能防冲设施有（）。
某水电站溢流坝陡槽高速泄流掺气减蚀试验
侧掺气设施下的 水 力 学 特 性 ， 以解决陡槽高速泄 流情况下的空化空蚀问题 。
１ 试验模型及试验方案
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ３ １ ３ ２ ０ １ ２ ０ ４ ２ ５ － － － －
） ； ） 基金项目 ：国家自然科学基金资助项目 （ 江苏省自然科学基金资助项目 （ ５ １ １ ０ ９ １ ４ ３ Ｂ Ｋ ２ ０ １ １ １ ０ ９ ， ： 作者简介 ：赵业彬 （ 男， 硕士研究生 ， 研究方向为水工水力学 ， １ ９ ８ ６ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｈ ａ ｏ ｅ ｂ ｉ ｎ ｒ ｆ ６ ３． ｃ ｏ ｍ －） ＠１ ｙ ｇ
某水电站溢流坝陡槽高速泄流掺气减蚀试验研究
赵业彬１， 徐艺绯２， 骆少泽３， 张陆陈３
（ １．河海大学 水利水电学院 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ８； ２．河海大学 能源与电气学院 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ８； ） ３．南京水利科学研究院 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ２ ９ 摘要 ：为有效解决陡槽高速泄流情况下的空化空蚀问题 ， 借鉴二滩水电站＃１ 泄洪洞掺气坎的修复经验 ， 通过国内 某溢流坝陡槽段大比尺模型试验 ， 研究了底掺气设施有无加设侧掺气坎的掺气空腔长度 、 掺气浓度 、 通气量等参数 泄水陡槽加设适宜的侧掺气坎后 ， 未影响底空腔的长度 ，有助于形成稳定完整的底空腔 与流速的关系 。结果表明 ， 和侧空腔 ， 且使水体掺气浓度及通气量显著增加 ， 不仅避免了陡槽侧墙空蚀的发生 ， 还可加强过流底板的保护作用 。 关键词 ：陡槽 ；高速泄流 ；掺气减蚀 ；模型试验 ；侧掺气 中图分类号 ： ＴＶ ６ ５ １ 文献标志码 ：Ａ
墙突扩加凸型跌 坎 的 三 维 掺 气 坎 方 案 ， 有效地解 决了水翅串顶及 底 空 腔 回 水 问 题 ， 掺气坎下游的 泄洪洞底板和侧 墙 未 出 现 明 显 的 空 蚀 现 象 ， 起到 本文借鉴二滩水电 了预 期 的 保 护 作 用 。 鉴 此 ， 站 １ 泄洪洞掺气坎的修复经验 ， 通过国内某溢流 坝陡槽段大比尺 模 型 试 验 ， 比较分析了陡槽有无
高速水流
第一章一、填空题1、高速水流的研究可采用以下四种方法理论分析、试验研究、数值计算、原型观测。
二、名次解释高速水流；如果水流运动速度足够高，以至于水流紊动强烈和剧烈掺气，并可能导致空蚀破坏、结构振动、局部区域雾流强降雨、急流冲击波及滚波等现象的单独或综合出现，此时的水流称为高速水流三、问答题1、层流与紊流的本质区别是什么？1、紊流运动是由大小不等的涡体所组成的无规则的随机运动，其物理量(如流速、压强及温度等)存在脉动，即对时间和空间而言的不规则变化。
2、紊流的输运能力(用紊动黏性系数来表示)要比分子的输运能力大几个数量级。
3、紊流常在高雷诺数下发生，可将其视为层流的非稳定性发展，且紊流中通过小涡体的掺混运动造成很大的能量耗损。
2、与处于中、低速运动的水流相比，高速水流的流动特性有哪些新的变化？1、高速水流通常为复杂边界条件下的多相体系紊流2、高速水流与过流边界之间的相互作用更加突出3.高速水流中惯性力的作用更加突出3、高速水流存在哪些特殊的水力学问题，请简要说明。
1、高速水流的紊动与流激振动,由于高速水流的雷诺数很大，其内各种紊动尺度共存，水流紊动强烈，并有可能导致处于其中或构成其边界的结构物的振动甚至破坏2、高速水流的掺气, 高速水流内高强度紊动的存在是导致其内维持一定含气浓度的必要与充分条件3、高速水流的消能高水头泄水建筑物上的高速水流具有巨大的动能，如何将其进行有效的转化，使上、下游水流以适当的形式相衔接是水利水电工程中的重要问题之一4、空化空蚀高速水流通过泄水建筑物某些部位时，固壁常出现剥蚀甚至破坏现象。
5、高速水流的雾化高速水流的雾化对水利水电工程的安全运行具有潜在威胁，并有可能导致山体滑坡、中断交通及闪络跳闸等事故的出现6、急流冲击波与滚波急流冲击波是渠槽中因侧墙几何条件的变化而在水面形成的一种波4、高速水流的研究方法有哪些？理论分析、试验研究、数值计算、原型观测影响高速水流的因素很多，单纯的理论分析只能把握其主要影响因素。
国外泄水建筑物掺气减蚀研究
Ｊｎ ，０８ ｕ ． ２０
文章编号 ：０ ０９ ３ （ ０ ８０ —０ １０ １０ —８ ３ ２０ ）２０ ０ —５
国外 泄 水 建 筑 物 掺 气 减 蚀 研 究
王 晓松 ， 孙双 科 ， 夏庆 福 ， 海 涛 柳
（ 中国水利水电科学研究院 水力学研究所 ， 北京 １ ０ ３ ） ０ ０ ８ 摘 要： 泄槽掺气设施 是 目前较为通用的工程减蚀措施 ， 前人 对其掺气 机理 与布置形式进 行 了大量 的研究 工作 ， 中， 其 国外 的工作 侧重于机理研究 ， 主要探讨空化空蚀的发生、 水流的掺气 过程及气体 的逸出过 程等 ， 国内的 工作 则 紧密 结合工程 实际 ， 而
（ ｉａＩｓｉ ｔ Ｏ ｔｒＲ ｓｕｃｓａ ｄＨｙ ｒ ｐｗｅ ｓａｃ ， ｅｉｇ ０ ０ ８ Ｃｈｎ ） Ｃｈｎ ｕ ｔｕｅ ｔＷａｅ ｅｏ ｒｅ ｎ ｄｏ ｏ ｒ ｔ Ｒｅｅｒｈ Ｂ ｉｎ ，１０ ３ ， ｉａ ｊ
Ａｂ ｔａ ｔ Ａｓｃ ｕ ｅａ ｒ ｔ ｒｉ ｈ ｕ ｒ ｎ ｅ ｓｂ ｅ ｅ ｇｎ ｅ ｉｇ ａ ｐ ｏ ｃ ｏ ｒ ｄ ｃ ａ ｉａ ｉｎ ｄ ｍａ ｅ ｒ ａ ｓｒｃ ： ｈ ｔ ｅａ ｏ ｓｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔｆａ ｉｌ ｎ ｉｅ ｒ ｐ ｒ ａ ｈ ｔ ｅ ｕ ｅ ｃ ｖｔ ｔ ａ ｇ ，ｇ ｅ ｔ ｎ ｏ
ｓａｃ ｅ ｒ ｈ，ｏ ｔｍ ｕ ｄ ｓｇ ｆｃ ｕ ｅ ａ ｒ ｔ ｒａ ｄ ｃ ｖ ｔ ｔ ｎ ｐ ｏ ｅ ｔ ｎ ｐ ｉ ｍ ｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ｔ ｅ ａ ｏ ｎ ａ ｉａ ｉ ｒ ｔ ｃ ｉ ． ｏ ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｒ ｔｏ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅ ａ ｉ ｎ；ａ ｒ ｃ ｎ ｅ ｔａ ｉｎ；ｃ ｖ ｔ ｔ ｎ；ｆ ｅ － ｕ ｆ ｃ ；ｔ — ｈ ｓ ｌ ｗ ｉ ｏ ｃｎ ｒｔ ｏ ａ ｉ ｉ ａ ｏ ｒ ｅ ｓ ｒ ａ ｅ ｗｏ ｐ ａ ｅ ｆｏ
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加强运行管理，改善运用条件，防止水流空化。
工程界认为：当水流空化数介于0.3～1.7时，应严格
控制不平整度；当介于0.12～0.3时，要采用掺气设施；
当小于0.12时应修改设计。
溢洪道设计规范规定：当水流流速超过35m/s时，应 设置掺气减蚀设施。
2 掺气减蚀
1937年，Mousson使用文丘里管型空蚀试验装置发现 使水流掺气可减轻空蚀破坏 。
空化（Cavitation）：由于液体系统中的局部低压 （低于相应温度下该液体的饱和蒸气压），使液体内 部剧烈地产生空泡的现象。
空蚀（Cavitation Damage） ：低压区空化的液体 挟带着大量的空泡在流经下游高压区域时，空泡将 发生溃灭。由于空泡在溃灭时产生很大的瞬时压强， 当溃灭发生在固体表面附近时，液体中不断溃灭的 空泡所产生的高压强的反复作用，可破坏固体表面。
1.2空化初生
空化的初生是空泡在极小区域内偶然初次出
现的非稳定状态。
空化初生的主要影响因素是压强和流速。 因此，常采用两个无量纲数作为衡量实际水
流是否会发生空化的判断指标：
水流空化数
和初生空化数 i 。
水流是否发生空化，要视水流空化数 而定，愈小愈易 发生空化。当小到某一数值 i 时即开始发生空化， i 被 称为初生空化数。 i 的大小随边壁条件而异，对于某种 边界轮廓， i是一个固定数值。
2.3 掺气减蚀设施
掺气设施可分为两部分，一部分是使水流形成掺气空 腔的掺气坎，另一部分是向空腔供气的进气系统。
（1）挑坎
（2）跌坎
（3）掺气槽
θ
Δ1
Δ2
（4）坎槽组合
（5）坎跌组合
（6）坎跌槽组合
θ
θ
θ
Δ2 Δ 1
Δ1
Δ3
Δ3 Δ2
Δ1
Δ3
（1） 通气管
（2） 通气槽
（3） 边墙折流器
（4） 边墙突扩
空化空蚀及减蚀措施
1891年 ——英国驱逐舰“达令号”在作高速试航时， 螺旋桨推进器叶片被剥蚀； 随后——发现水力机械（水泵、水轮机）的叶片上也 有类似于螺旋桨上的剥蚀现象 ； 1935年——巴拿马麦登坝输水道进口发生严重空蚀， 引起了水工建筑物行业的注意 。
1 空化和空蚀概述 1.1空化和空蚀概念
掺气坎等形成的强迫掺气机理 ：
2.2 掺气减蚀机理
掺气降低水中声速，削减固壁面上的空化荷载。空泡 溃灭压强与介质中的声速成正比，而介质的声速随掺 气浓度的增加而迅速降低，当掺气浓度达到3％时， 近壁空泡溃灭压强约缩小到1/60。
掺气增加水流含气量，提高水流空化数。 掺气改变近壁泡的溃灭过程，减小固壁受力。近壁层 的液体掺气后就象在固壁表面盖了一层刚性很小的可 变形层，它对溃灭空泡有排斥作用，使其远离固壁， 并使溃灭泡的微射流改变射向。
1960年，美国的大古力坝（Grand Goulee Dam）的
坝内泄水孔出口收缩段下游，空蚀破坏修复时设置了
掺气槽 。
1972年，刘家峡右岸泄洪洞运行中产生空蚀破坏，我 国随即开始了掺气减蚀的研究 。 1975年，冯家山水库的泄洪洞为国内第一个采用掺气 减蚀技术的泄洪工程。
2.1 掺气机理
由于掺气过程不同，水气二相流可分为自掺气和强迫 掺气两种。 关于自掺气机理，曾有三种不同的观点：表面波破碎 理论，紊流边界层发展理论，及紊动强度理论。 1990年，吴持恭提成涡体理论。
（5） （1）----封闭式 （2）～（5）----开敞式 闸墩
2.4 掺气设施的水力特性指标 空腔长度 射流挟气量
掺气坎的有效保护范围
2.5 比尺效应
物理模型比尺较小，很难满足表面张力、粘性、糙率、 气泡尺寸等方面的相似，模型中难以重演原型掺气水 流的运动规律，从而产生比尺效应。
3 工程实例：二滩号泄洪洞
p pv 1 2 v 2
当
i时，不发生空化；当 时，有空化发生。 i
1.3空蚀机理
冲击波和微射流理论
1.4 减免空蚀措施
优化过流边界体型，控制过流表面的不平整度， 降低初生空化数。 增强泄水建筑物过流壁面材料的抗空蚀性能。
掺气减蚀，即向可能发生空化的区域掺气，改 变水流的物性，削减作用在固壁面上的空化荷 载，降低空蚀率。