底部掺气设施水流掺气量的计算
明渠自掺气水流发展区掺气浓度分布试验
２００７年第１２期（第２５卷２８１期）东北水利水电明渠自掺气水流发展区掺气浓度分布试验赵学问，刘善均，董宝顺［摘要］本文对不同坡度、水深和流速的明渠掺气水流的掺气浓度进行了测量。
通过对试验数据分析，发现掺气发展区断面掺气浓度分布曲线与均匀掺气区的差异在于前者下支浓度梯度很小。
本文拟合了该无因次水深与佛汝德数的经验计算式，与试验数据吻合良好。
［关键词］明渠水流；掺气；掺气浓度分布［中图分类号］ＴＶ１３１．３＋４［文献标识码］Ｂ［文章编号］１００２－０６２４（２００７）１２－００３５－０３（广东省航道勘测设计研究院有限公司，广东广州５１０１１５）１试验模型及测量仪器模型采用四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室的可变坡陡槽，该陡槽长１６．５ｍ，变坡范围７°～７５°，最大流速２０ｍ／ｓ，最大流量０．７５ｍ３／ｓ，有机玻璃明渠模型断面尺寸为２０ｃｍ×２８ｃｍ（宽×高）。
由于陡槽长度的限制，为了使水流发生掺气并满足试验要求，必须提高进入明渠模型的初始流速，因此采用有压出口，出口最大尺寸为２０ｃｍ×１０ｃｍ（宽×高）。
该陡槽曾多次用于明渠掺气水流的试验研究，坡度、水流速度和水深等都能满足试验要求。
掺气浓度采用目前较为先进的针式掺气流速仪，该仪器由淮委水科院研制。
它能分辨的最小气泡直径为０．０１ｍｍ，理论掺气浓度分辨率小于１ｐｐｍ，掺气浓度相对测量误差小于３％，而且可同时测量掺气浓度和流速，具有较高的精度［１］。
为减小有压出口对水流自掺气的影响，测量断面从下游距有压出口２．４ｍ的位置开始布置，每隔０．７５ｍ布置一个测站，沿程依次布置编号为１～１５的１５个测站。
测针安装在装有直流电机可沿陡槽上下移动的小车上，可将测针准确定位在各测站断面上，测针在断面内升降可以精确到０．１ｍｍ。
各工况都测取了各个测站中心线垂直底板方向的掺气浓度分布。
２试验结果及分析本次试验分３种坡度，４种有压出口高度以及９个不同的流量共１５个工况（见表１）。
局部陡坡跌坎掺气减蚀试验研究
在较低水位时水流能够落在 陡坡段 ，水平段长度
不宜取得太大 ，因此取较小值 ５ ｍ，跌坎高 度不
变 。其剖面图如图 ３所示。
优 化方 案 ２的特点 在于 最大 限度地 利用 了放
对三维掺气坎在小底坡泄洪洞 中的应用，底
板坡度 一般 在 ３ ～６ 之 间 。 白岩 滩 泄 洪 洞 坡 ％ ％
在 高 程 差 不 变 的情 况 下 ，陡坡 段 越 长 ，坡 角 越
界免蚀掺气浓度 等。崔 陇天 综合考虑 了这些
因素的影 响， 并结合模型试 验资料和原型观测得 出的数据 ， 出了计算掺气保护长度的经验公式 ： 推
Ｌ ＝ ５ Ｆ － ）ＯＯ ， ２ Ａ（ ， １ Ｃ￥ ｔ （） １
在本 工程 中 ，泄洪 洞有 压段 出 口底板 高程 为 ６ ８０ ｍ，直坡 段 末 端 底 板 高程 为 ６００ ｍ，而 ５ ．０ ５ ．０
图 ３ 泄洪洞掺气 坎方案 ２剖面
在泄水建筑物 中设置掺气设施后 ， 原来水流 的水力特性发生变化 ， 如单位时间通风量 、 空腔长 度等 ， 空腔长度的大小与掺气坎型式以及坎上来 流速度有直接关系。 ２ ２ 掺气保护长度计算 ． 掺气保护长度与多种 因素相关 ， 如掺气设施 的型式、 几何尺寸 和底部掺气浓度递减率以及 临
洞、 挡水 坝 （ 混凝 土 面板 堆石 坝 ） 和右岸取 水洞 。 本次试 验模 型 按重 力 相 似 准则 设 计 ， 比尺 为
２ 掺气 坎设置
２ １ 局部陡坡掺气坎型式的提出 ． 虽然在掺气减蚀理论方面还存在许 多不完善 的地方 ， 但是对于掺气设施 ，都一致认为应设置 在水流空化数较小、易产生空蚀破坏的部位 。因 此 ，归结掺气减蚀设施的水利设计准则如下¨ ： ］
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]。
掺气水深计算公式在陡坡泄槽设计中的应用
掺气水深计算公式在陡坡泄槽设计中的应用贾鸿益;罗孝明;平有洪;肖群香【摘要】In steep chute with a great fall , the water flow velocity is usually high and self -aerated flow tends to occur . The water depth in the chute will increase accordingly .If the side wall is not high enough because of the underestimation of the aerated water depth , safety of the structures will be threatened .In this paper , several calculation formulae for aer-ated water depth that are commonly used are compared with a chute example in the drainage system of a residue field . Model test results are also given and serve as the benchmark .It shows that the calculation result from Wang Junyong for-mula is close to the test results .The chute is then built following the results and a good performance is shown .%高落差、陡坡泄槽水流流速较高，易形成自掺气水流，水深加大。
如果对掺气水深估计不足，泄槽边墙高度不够，将会威胁建筑物的安全。
台阶式溢洪道掺气坎水流空腔长度和通气量的试验研究
台阶式溢洪道掺气坎水流空腔长度和通气量的试验研究骈迎春;张志昌
【期刊名称】《电网与清洁能源》
【年(卷),期】2006(022)004
【摘要】通过试验研究了台阶式溢洪道初始掺气点的位置、在首部台阶上游加掺气挑坎情况下挑坎后的水流流态、空腔长度、通气量.得出了初始掺气点、空腔长度和通气量的确定方法,供工程参考.
【总页数】6页(P41-45,49)
【作者】骈迎春;张志昌
【作者单位】西安理工大学,西安,710048;西安理工大学,西安,710048
【正文语种】中文
【中图分类】TV135
【相关文献】
1.底掺气坎对侧空腔长度的影响 [J], 刘超;张光科;李乃稳;张光碧;王海云
2.缓坡条件下掺气坎后空腔长度的试验研究 [J], 王尧;徐一民;张继肖;舒蕴璟;马关博;
3.通气孔对掺气坎空腔长度影响的试验研究 [J], 张涛;白文和;徐一民;沈春颖;储威威;刘晓磊
4.某水库台阶式溢洪道掺气坎优化试验研究 [J], 白雪
5.侧墙掺气坎空腔长度初探 [J], 刘超;张光科;张光碧;王海云;李乃稳
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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
第3章 高速水流的掺气
二、气泡在流场中的运动形态
1、流场中的气泡运动形态 研究表明，多数气泡的半径在1～4mm之间。较小的气泡基 本上呈球形，较大的气泡则近似为包角约100°而底部扁平的瓜 皮帽形或弹头形。对于水中的空气气泡，半径1.2mm是大、小气 泡的分界值，半径大于1.2mm的气泡是大气泡。 气泡在水流中由静止状态而上升时，在初始阶段处于加速 状态，但随着速度的增加，气泡所受阻力也相应增加，最终当 气泡所受阻力与浮力相平衡时，气泡将匀速上升，此时气泡上 升速度称为气泡上升终速。
（2）传统的掺气减蚀设施的型式尚无法满足各种复杂条 件下的工程需求。工程实践表明，在一些条件下，传统的掺 气设施体型己经难以满足工程实践需要，如溢流反弧后仅有 底部掺气，易出现边墙清水三角区；又如小底坡上的连续坎 有时难以避免空腔回水。因此，对掺气坎类型有必要不断加 以新的探讨。 （3）非均匀流段掺气水流运动特性有待深入认识。以往 的掺气减蚀研究主要集中在均匀流段，包括空腔长度、掺气 保护范围等，而对诸如反弧段等非均匀流段的浓度扩散、气 泡上浮等问题， 目前的认识还相当匾乏。
概括地讲，掺气减蚀的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，在高速水流的紊动作用下， 迫使大量空气掺入水流中，对水流掺气，形成可压缩性 的水、气混合体。当挑射水流重新回到底板上时，水流 中抉带了大量的空气，致使近壁水层自然掺气。当近壁 掺气浓度达到一定值时，在一段距离内的泄水建筑物过 流表面可减少或避免空蚀破坏。
第3章 高速水流的掺气
水利与生态工程学院 张 强
主要内容
概述 气泡在流场中的运动形态 掺气观测 掺气减蚀简介 高速水流的自然搀气 高速水流的强迫搀气 掺气水流掺气浓度缩尺影响 台阶式溢洪道掺气
掺气水流产生的条件
掺气水流产生的条件一、引言掺气水流是指在水流中加入气体，形成气液两相混合的流动状态。
掺气水流在许多领域中都有广泛的应用，如水处理、环境工程、化工等。
了解掺气水流产生的条件对于优化工艺、提高效率具有重要意义。
二、流体参数1. 气体流量：掺气水流的产生需要一定的气体流量，过低的气体流量会导致气液混合不充分，过高则会形成泡沫。
因此，合适的气体流量是产生掺气水流的基本条件之一。
2. 水流速度：水流速度影响掺气水流中气体的分散程度。
当水流速度较低时，气体容易聚集在一起形成大气泡；当水流速度较高时，气体则更容易分散在水中形成细小气泡。
因此，适宜的水流速度也是产生掺气水流的重要条件之一。
3. 水深：水深也会对掺气水流的产生起到一定影响。
一般来说，水深较深时，掺气水流的产生更容易，因为水深能提供更多的空间让气体分散。
三、气液界面特性1. 气泡尺寸：气泡的尺寸对于掺气水流的产生有重要影响。
较小的气泡能够更容易被水流带走，形成稳定的掺气水流。
而较大的气泡则不容易在水中分散，容易形成气团。
因此，掺气水流的产生需要气泡尺寸适中。
2. 气泡浓度：气泡浓度是指单位体积内气泡的数量。
较高的气泡浓度能够增加气体与水的接触面积，有利于气体的溶解和吸附，从而形成稳定的掺气水流。
四、装置特性1. 掺气装置：为了产生掺气水流，需要使用特定的掺气装置。
不同的掺气装置有不同的工作原理，如扩散器、喷射装置、旋流装置等。
合理选择和设计掺气装置对于产生稳定的掺气水流至关重要。
2. 掺气方式：掺气水流可以通过不同的方式实现，如直接通入气体、通过气泡发生器引入气体等。
根据具体应用需求，选择合适的掺气方式也是产生掺气水流的重要条件之一。
五、实验条件1. 温度：掺气水流的产生与温度密切相关。
一般情况下，温度较高时气体更容易溶解在水中，从而形成稳定的掺气水流。
2. 压力：掺气水流的产生需要一定的压力驱动。
合适的压力可以促使气体与水充分混合，形成稳定的掺气水流。
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摘
要 ：掺 气减 蚀是 高速 水 流 泄 水 建 筑 物 减 免 空蚀破 坏 的 重要 措 施 。为 了有 效 地 实现 掺 气减 蚀 ，
必须 使 通过掺 气设施 后 的 强迫掺 气水 流 达到 一定 浓 度 的掺 气 量 。利 用本 文提 出的掺 气坎 射 流轨 迹
的微 分 方程计 算 出 了掺 气 空腔 长度 ，并通 过 掺 气 坎供 气 系统 的 供 气量 与 水 流 掺 气量 的 平 衡 ，给 出
ｄ ｆ ｅ ｔ ｌ ｑ ａ ｏ ｉ ｎ ｈ ｒｉ ｆ ｔ ｒ ｅ ｔ ｙ ｏ ａ ｒ ｉ ｅｉｅ ａ ｄ ｔ ｎ ａｃ ｃ ｌ ｉ ｅ ｏ ｒ ｅ ｎｎ ｅａ ｎｒ ｎ ｉｅ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｎ ｇ ｅ ｅｅ ｒ ｅ ｔ ｊｃ ｒ ｆ ｅａ ｏ ｄ ｖ ， ｎ ｅ ａ ｕａ ｏ ｍ ｔ ｄ ｆ ｆ ｉｇｔ ｉ ｅ ｔ ｉ— ｆｒ ｉ ｉ ｖ ｎ ｏｊ ａ ｏ ｔｎ ｃ ｈ ｌ ｔｎ ｈ ｏ ｄｉ ｈ ｒ ａ
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了一种 通 过计 算掺 气坎射 流 空腔 负压 来确 定 水 流掺 气量 的计 算 方 法 。计 算 结 果 与试 验 结 果 吻 合 良 好 。利 用该 方法 ，可对通 风 系统和 掺 气坎 的设 计 体 型 进 行初 步 验 算 ， 以判 别掺 气设 施 能 否 满足 掺
气减蚀 要 求 。 关键 词 ：掺 气坎 ；空腔 负压 ；掺 气量 ；掺 气减蚀
ｍ ｅ ｔｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ｌ ｕ ａｉｎ ｏ ｈ ｅ ａｉ ｅｐｒｓ ｕ ｅ ｉ ｈ ａ ｉｙｏ ｈｅ ａ ｒ ｔｏ ｅ ｉｅ ｉ ｔｆ ｒ ｒ ｈｒ ｇ ｈｅ ｂ ｌ ｎ ｅ ｂ — ｎ ｓ ｄ ｏ ｈ ａｃ ｌｔｏ ｆｔｅ ｎ ｇ ｔｖ ｅ ｓ ｒ ｎ ｔｅ ｃ ｖｔ ｆｔ ｅａｉ ｎ ｄ ｖｃ ｓｐｕ ｏ ｗａｄ ｔ ｏｕ ｈ ｔ ａａ ｃ ｅ
中 图分 类 号 ：Ｔ ６３ Ｖ ５ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ — ８０ ２ １ ） ９０ ５ —５ ００ ０ ６ （０ ０ Ｏ —０ ２ ０
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水利水电技术
第４ 卷 ｌ
２１ ０ ０年第 ９期
底 部掺 气 设施 水流掺 气 量 的计 算
杨 红 宣 ，徐 一 民 ，赵 伟 ，白文和 ，王 海 军
６３０ ） ５３０
（ ．昆明理 工大 学 电力工程 学 院，云 南 昆明 ６ ０ ５ ； １ ５ ０ １
２ ．云南省元 江县水利 水 电勘 测设计 院 ，云 南 元 江