掺气水流掺气浓度缩尺影响的估计_谢省宗
水工结构
库 岸边 坡 渗 流 及 稳 定 性 分 析＝ ｅ ｐｇ Ｓｅ ａｅ
ａｄｓ ｂｌｙａａｙｉｏ ｎ ｏ ｅ 刊 ， ｎ ａｉｔ ｎ ｌｓ ｆ ａ ｋｓ ｐ ｓ［ ｔ ｉ ｓ ｂ ｌ
中］张文杰（ 大学岩土工程 研究所， ／ 浙江 杭州 ３０２） １０７，陈云敏，凌道盛， ／ 水利学 报． ０ ５ １） １ １ ～１ １ 一２ ｏ ，（２． ５ Ｏ ５ ６ 一 库岸边坡常 因受 到库水位 周期性波动的 作用而失稳 ．传统 的饱和 土渗 流及稳定 分析方法无法 正确描述水位 升降过程中 岸坡 内孔压场 的动态变化及其 对岸 坡安 全系数 的影 响规律 ．该文 从非饱和土的 渗流和抗剪强度理论 出发 ，分 析 了水位 升 降时土质岸坡 的渗流规 律及其稳定性 的变化规律 ． 通过选取典 型的土性参数 ， 对黏 土 、粉土和 均质 砂岸 坡进 行饱 和． 非饱和渗流分析 ，得 到水位 升降过程 中 岸坡 内孔隙水压 力场 ，再 引入 极限平衡 方法 ，考虑基质 吸力对 非饱和 土抗剪强 度及岸坡安全系数 的贡献 ，进 行岸坡稳 定性分析 ．分析表 明，土体的饱和渗透
利学报． （ ５ １） １ ２ ～ １２ 一２） ，（２． ４ Ｏ ４ ５ ｏ 一 根据 紊动扩散理 论和相似理论导 出了掺 气水流试验 的 ９个模型相似律 ．研究表 明，若要求掺气水流的掺气浓度原 、模 型相似 ，并按重力相似 律引伸 ，则掺气 气泡的上浮速度应和水流流速一样满足 重力相似律．在模型采用和原型相 同的 介质 ，即水和空气进行试验 时，由于 气 泡上浮速度不相似 ，引起掺气浓度 巨大 的缩尺影响 ，该文首次对这种影 响进 行 定量 估计 ．研究表 明 ，模 型 的比尺 Ｌ 应足 够 大 ， 以减小 掺气 浓 度 的缩 尺 影
高速水流参考资料
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。
2、从水流紊动特征的空间变化出发，可将紊流分为均匀紊流与非均匀紊流。
3、非均匀紊流又可细分为自由切变紊流及边壁切变紊流。
4、边壁切变紊流包括流体绕固体边界的流动及流体在固体边界之间的流动两种。
5、脉动壁压强度、主频率及其频谱持性是结构设计中甚为关注的物理量。
6、根据紊流运动的特性，可将水利工程中切变紊流的脉动壁压分为即平顺水流情况下的脉动壁压与强紊流情况下的脉动壁压两种。
7、由于掺气原因不同，—般将掺气水流分为强迫掺气水流与自然掺气水流两大类。
8、从纵向上看可将明渠掺气水流分无气区、掺气发展区及掺气充分发展区三个区域。
9、视掺气散裂程度的不同可将高速挑射水流分为部分掺气散裂射流、充分掺气散裂射流及完全掺气散裂射流三种。
10、自由跌落水流能否掺气，关键在于射流流态及其入水流速。
11、附壁跌落水流的流态有表面流、波状流、附着底及穿透流四种。
12、挑流消能中鼻坎的适宜挑角一般可取为 15°～35°。
13、根据挑流水舌的运动过程，可将其分为自由射流区，冲击区及附壁射流区 三段。
14、岩基破坏过程分解为①解体过程 ②拔出过程 ③搬运过程 三个部分。
15、对平底、无辅助消能设施的二维自由水跃，其水跃可划分为 ①弱水跃 ②颤动水跃 ③稳定水跃 ④强水跃 四种基本形式。
16、水跃与下游水面的衔接形式有临界水跃衔接、远驱水跃衔接、淹没水跃衔接三种。
17、底流消能中的辅助消能工主要有趾墩、前墩、后墩、尾槛 。
18、控制水跃的目的有解决尾水偏深，或尾水不足以及缩短水跃长度的问题三种。
19、面流消能可分跌坎面流和戽斗面流 两类。
20、空化可以分为游移空化，固定空化， 漩涡空化，振荡空化四种。
21、水体中所含的气核可分为表面气核与流动气核两种。
22、水流空化数越大，形成空化的可能性小；水流空化数越小，形成空化的可能性大。
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。
课件：高速水流
由上式可知：绝对压强愈低，气穴数愈小，发生气穴 的可能性就裕达。当K降低至某一数值Ki时开始发生气穴， 这个气穴数叫做初生气穴数。
‹#1›7
初生气穴数随边界条件而异。初生气穴数的一 些实验值如图：
‹#1›8
初生气穴数Ki越大，气穴越容易发生，越小难发生。
当K＞ Ki 时，气穴不发生；当K≤ Ki 时，有气穴发生。
小浪底排沙洞气蚀
二滩电站泄洪雾化
‹#›3
17－1 高速水流的脉动压强
一 压强对建筑物的影响
动水压强脉动对水工建筑物的影响主要有下列三个方面： 1 增加建筑物的瞬时载荷 —— 水工建筑物受到的
瞬时载荷高于时均载荷，因此提高了对水工建筑物强度的 要求。
2 可能引起建筑物的振动——由于脉动压强具有周 期性变化，压强时大时小往复作用在建筑物上，可能促使 轻型结构产生强烈的振动。
2
‹#1›9
2
由此推导出瞬时气穴数
K ' K 6
u'2 v
据试验结果，高度紊流靠近底部的紊动强度的数值接 近于0.15，代入上式得
K ' K 6 0.152 K 0.14
由此可知：瞬时气穴数可能比时均气穴数低0.14
五 防止气蚀的措施
防止气蚀的措施已有不少经验，主要有下列几方面可供参考：
流量，则掺气水流的掺气量
Ca
Qa Q Qa
含水量 Q
Qa
它们之间的关系 Ca 1
若明槽为矩形，并令掺气水流的水深为ha，清水水 流的水深为h，掺气水流断面平均流速为va，清水水流断 面平均流速v，则
Q vhb vh
Qa va haba va ha
‹#2›4ห้องสมุดไป่ตู้
一种新型掺气设施的试验研究
一种新型掺气设施的试验研究
牛争鸣;南军虎;洪镝
【期刊名称】《水科学进展》
【年(卷),期】2013(24)3
【摘要】设置在泄洪洞竖井内的环形掺气设施是不同于传统掺气技术的新创意。
为了更好地认识这种新型的掺气技术,基于公伯峡水平旋流泄洪洞原型和模型试验,对环形掺气坎的通风和掺气特性进行了研究。
结果表明环形通气孔的通风是由通气孔进出口的压差引起的,通风量与相对空腔长度的关系服从线性分布;环形掺气坎掺气减蚀的作用明显,其掺气是由于射流冲击竖井水体形成大尺度旋涡并挟带气泡所致,且掺气浓度沿高程呈乘幂分布;模型通风和掺气特性的缩尺效应明显。
在结构设计满足要求的前提下,有必要在旋流泄洪洞的竖井段设置掺气设施,可改善水流流态,并增加消能效果。
【总页数】7页(P372-378)
【关键词】竖井;环形掺气坎;通风;掺气;水力特性
【作者】牛争鸣;南军虎;洪镝
【作者单位】西安理工大学水利水电学院;兰州理工大学能源与动力工程学院;黄河上游水电开发有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.6
【相关文献】
1.龙滩水电站低坎溢洪道掺气设施试验研究 [J], 王怡
2.小底坡泄洪洞掺气减蚀设施体型试验研究 [J], 王智阳;王亮;雷艳
3.突扩突跌掺气设施后泄槽底板脉动压力试验研究 [J], 王宏霄;杨红宣;骆渊;徐一民;田蕓硕;张柱
4.羊曲水电站溢洪道掺气设施的试验研究 [J], 卫勇;刘菁;徐春燕;刘少斌;杜淑英;焦娟;贺翠玲
5.一种外掺新型引气剂的水泥胶砂抗折强度试验研究 [J], 李铁军;郭红兵
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2推荐项目简介主要完成人贡献等具体材料
附件2推荐项目1：高水头大流量泄洪洞水力设计理论及应用一、项目名称：高水头大流量泄洪洞水力设计理论及应用二、推荐单位：水利部三、项目简介泄洪洞是水利水电工程常见的泄水建筑物，是枢纽工程的重要组成部分。
实际工程中许多泄洪洞因高速水流而破坏，部分工程破坏的后果十分严重。
目前泄洪洞单洞泄量高达3000～4200m3/s，洞内流速已超过50m/s，新出现的高速水流问题直接关系到工程的成败，开展高水头大流量泄洪洞的水力设计理论研究意义重大。
本项成果以水动力学和水气两相流理论为基础，以降低泄洪洞遭遇破坏的风险程度和保证其安全运行为宗旨，建立了高水头大流量泄洪洞总体布置和体型优化的水力设计体系，开发了一系列新型掺气减蚀技术与泄洪雾化预测模型，并在大型水电工程中得到了广泛的推广应用。
主要创新性成果包括：1.发展并完善了高速掺气水流理论和模拟技术，为高水头大流量泄洪洞水力设计奠定了理论基础：首次提出了反映紊动扩散对相间阻力作用的本构方程和泡状流、过渡流及滴状流等不同流区的阻力关系，改进了高速掺气水流的数值模拟技术；首次揭示了水气两相流声速随掺气浓度增加急剧衰减的规律；首次揭示了洞顶余幅流场与掺气减蚀效果的关系；首次导出了掺气水流的模型相似律并提出了掺气浓度缩尺效应的修正计算方法；深入研究了反弧段气泡运动特性及掺气浓度衰减规律，改进了反弧段掺气保护长度估算方法。
2.提出了提高大型泄洪洞运行安全性的水力设计理论及一系列水力设计方法：为提高高水头大流量泄洪洞运行安全性，首次提出了采用压力隧洞平面弯曲调整水流方向、高位明流隧洞控制水流流速的“龙落尾”大型泄洪洞总体布置的水力设计理论与设计方法；首次提出了过流断面大宽深比与分段供气等新的水力设计理念；首次提出并建立了以水流空化数为主的泄洪洞多目标体型优化设计方法。
3.自主开发了一系列掺气减蚀新技术:自主开发了侧壁掺气、坎下变坡、梯形收缩式突扩掺气、异型三维掺气等一系列适应于不同水流条件的新型掺气减蚀技术；根据水流流速量级的沿程变化，创造性地提出了分段独立设置通气洞的技术，建立了大型泄洪洞高速水流供气系统设计新方法，增强了水气流动稳定性，显著提高了掺气减蚀设施的运行效果。
台阶式溢洪道水力特性计算方法分析
张志 昌（ ９４ ）男 ， １ ５ － ， 陕西西安人 ， 教授级高工 ， 研究 方向为水工水力学。Ｅｍａ ： ａｇｃ ａｔｅ ｕ ｃ 。 — ｉ ｚ ｎ ｚ＠ｘｕ．ｄ ．ｎ ｌｈ
西安理工 大学学报 （ ０ １ 第 ２ ２ １ ） ７卷第 ２期
流与台阶边缘之间会被水流充满， 并形成稳定 的循 环旋涡 ， 这些旋涡的大小依赖于 台阶式溢洪道 的坡
度和 台 阶尺寸 （ 如 图 １ Ｃ ） 见 （ ） 。过 渡 水 流介 于滑 行
水流和跌落水流之间 ， 特点是在一些 台阶上水流 其
可 能产 生旋 涡 ， 而在 另 一 些 台 阶上 可 能 发 生 水流 跌 落 。由于过 渡水 流不稳 定 在设计 中应 予 以避免 。
（） ａ 完全水跃
（ ） 。对 于完 全水 跃 的 台 阶式 溢 洪 道 可 以按 跌 水 ｂ） 方法 计算 ， 于不完 全水 跃则 由于流态 复杂 ， 对 尚未 看
到相 关研究 成 果 。滑 行 水 流 发 生在 坡 度 较 陡 、 宽 单
流量较大的台阶式溢洪道上 ， 其特点是在 台阶凸角
的连 线上形 成 虚拟 底 板 ， 虚 拟 底板 以上 水 流 就 像 在 在光 滑溢 洪道 上一 样 流 过 台 阶 ， 虚拟 底 板 以下 主 在
Ｃ ａｓｎＹ ｓｄ 、ｏｓ 田嘉 宁所给 的公 式变 化规律 ｈ ｏ 、ａｕａＢ ｅ 和 ｎ
一
致 ， Ｂｅ 公式的相对坎高偏小。Ｙ ｓｄ 在 ２０ 但 ｏｓ ａ ａ ｕ ０１
图 ３ 跌落水流上 限相对 ／ 口水深与坡度 ０的关系
Ｆ ｇ ３ Ｔ ｅｒｌｔ ｎ ｈ ｐｂ ｔ ｅ ｋ ａ ａ ｄ ０ｏ ａ ｐ ｏ ｉ ． ｈ ｅ ａ ｉ ｓ ｉ ｅｗｅ ｎ ｈ ／ ｎ ｆｎ ｐ ｅ ｆ ｗ ｏ ｌ
化工原理课后思考题答案陈敏恒版
第一章流体流动问题1. 什么是连续性假定? 质点的含义是什么? 有什么条件?答1．假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。
质点是含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。
问题2. 描述流体运动的拉格朗日法和欧拉法有什么不同点?答2．前者描述同一质点在不同时刻的状态；后者描述空间任意定点的状态。
问题3. 粘性的物理本质是什么? 为什么温度上升, 气体粘度上升, 而液体粘度下降?答3．分子间的引力和分子的热运动。
通常气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主；温度上升，热运动加剧，粘度上升。
液体的粘度随温度增加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主，温度上升，分子间的引力下降，粘度下降。
问题4. 静压强有什么特性?答4．静压强的特性：①静止流体中任意界面上只受到大小相等、方向相反、垂直于作用面的压力；②作用于任意点所有不同方位的静压强在数值上相等；③压强各向传递。
问题5. 图示一玻璃容器内装有水，容器底面积为8×10-3m2，水和容器总重10N。
(1)试画出容器内部受力示意图(用箭头的长短和方向表示受力大小和方向)；(2)试估计容器底部内侧、外侧所受的压力分别为多少？哪一侧的压力大？为什么？题5附图题6附图答5．1）图略，受力箭头垂直于壁面、上小下大。
2）内部压强p=ρgh=1000×9.81×0.5=4.91kPa；外部压强p=F/A=10/0.008=1.25kPa<内部压强4.91kPa。
因为容器内壁给了流体向下的力，使内部压强大于外部压强。
问题6.图示两密闭容器内盛有同种液体，各接一U形压差计，读数分别为R1、R2，两压差计间用一橡皮管相连接，现将容器A连同U形压差计一起向下移动一段距离，试问读数R1与R2有何变化？(说明理由)答6．容器A的液体势能下降，使它与容器B的液体势能差减小，从而R2减小。