水流作用下气泡帘的形成及防悬浮物扩散特性

气泡上升形成的气泡帘能较好地防止耙吸挖泥船作业引起的悬浮物扩散。采用CFD仿真的方法研究了在水流作用下气泡帘的形成过程及防悬浮物扩散机理。研究结果表明：气泡帘的形成过程受气泡孔直径、通气速度和水流速度的影响;增加通气量并选取合适的气泡孔直径可以增强气泡帘防止污染物扩散的能力,而过大的水流速度会导致气泡帘的失效;对于给定的工况,存在一个疏浚悬浮物的临界阻隔粒径。研究成果可为合理确定气泡防污帘的结构参数和操作参数提供理论依据。     

泡沫成因分析及污染治理工程措施研究

核（热）电站循环冷却水从充堰泄入虹吸井或排水流道时，产生水跌掺气，并在特定的条件下形成一种稳定性很强的泡沫。泡沫随温排水排出海湾，造成感观上的环境污染。在深入揭示泡沫成因的基础上，抓住泡沫的原生体－气泡这一关键问题，围绕掺气水流中气泡的产生，运动及其浓度，对核（热）电站循环冷却水从溢流堰洪水入虹吸井或排水流道进行试验研究，提出了减少气泡生成和拦防泡沫的优化工程措施，从而解决了核（热）电站温排水泡沫污染的新问题。     

明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究

采用高速摄像技术对陡槽内自掺气水流进行了观测,拍摄到了掺气起始区气泡在水流内部形成的完整过程,对气泡形成的过程进行了概化分析。水面附近涡体运动产生的脉动压强和水面相互作用,导致水面发生上凸下凹的变形。当这种变形达到一定程度后,受顺水流向或横向脉动压力、横向切应力的作用,深入水体凹坑的边壁在某一部位闭合,下部包裹空气形成气泡而发生自掺气。随着紊动强度进一步增大,水面变形加剧,表现为高高跃出水面的柱状突起和水滴,这些水柱的倾倒、聚并也会造成空气进入水中形成气泡。明渠水流自掺气是水体内部紊动与水面相互作用的结果。     

基于双针光纤探头改进的破碎波卷入气泡尺寸测量方法研究

基于双针光纤探头(D-OFP)的气液两相流测量方法可实现气泡粒径、弦长、运动速度、含气率等参数测量.目前,D-OFP已广泛应用于环境工程和石油化工等领域,但由于破碎波卷入气泡形状的不规则性及运动复杂性等特点,若直接将D-OFP用于破碎波卷入气泡尺寸测量,测量的精度和可靠性将有所降低.为克服上述不足,该文从D-OFP测量气泡尺寸的原理出发,着重分析了气泡侧向运动产生的测量误差,得出结论:当气泡运动方向与探头主轴方向夹角小于10°时的测量结果是准确合理的.并提出了基于双针光纤探头(D-OFP)改进的四针光纤探头(F-OFP)测量法,通过建立F-OFP数学模型,推导出了F-OFP多维度测量破碎波卷入气泡尺寸的基本公式,论证了F-OFP多维度测量破碎波卷入气泡的可行性,为破碎波卷入气泡尺寸分布研究提供了理论依据.     

水股跌落水塘的掺气水流模拟及其缩尺影响

本文对水股跌落水塘的掺气水流模拟过程中，水流挟气浓度、气泡尺寸、挟气水流长度的缩尺效应进行了讨论，提出了一个挟气浓度的测量方法──集气采样法，其原理简洁合理，设备简单，操作方便，结合工程实际阐述了类似的掺气水流模拟所应注意的问题。     

微气泡减阻实验研究

该文研究设计了一种基于超声空化的微气泡产生电路,利用AD9850产生正弦信号,经功率放大电路后驱动换能器使其空化,产生微气泡.分析了转盘转动过程中所受水流的阻力矩.同时,为了验证微气泡的减阻效果,提出了一种与该方法相配套的实验方案.实验结果表明,该方法产生的微气泡有较好的减阻效果,并且在工程上容易实现,具有较好的应用前景.     

掺气水流数字图像上气泡提取的二值化阈值确定

随着数字图像相关技术的迅速发展，其在水工水力学精细测量中的应用越来越受到关注，但在掺气水流中的应用研究却很少。笔者结合掺气水流的特点，比较了3种从掺气水流数字图像中识别水和气的阈值确定算法，并通过试验验证其算法的可靠性。其成果为以后数字图像处理技术在测量气泡速度和掺气浓度中的应用打下了良好的基础。     

气动冲沙法辅助小浪底水库调沙的设想

针对黄河含沙量大、干流水库不同程度淤积的状况,提出了一种水动力与强人工干预有机结合的泥沙负载提高方法,即通过气动系统使水体中产生气泡,增强水流的紊动强度及垂向流速,提高水流的挟沙、输沙能力。通过水槽试验,对黄河原型沙在气动装置辅助下的起动与输运进行了研究。结果表明:在一次排气过程中,覆盖于排气孔上方的泥沙中有28%的泥沙得以起动并被水流输送,且其中仅有8%落淤到下游水槽中,20%的泥沙被带出水槽,取得了明显的清淤效果。同时,针对小浪底水库的淤积特点,对将气动冲沙法应用到小浪底水库的可行性进行了分析并提出了初步方案。     

静止水下气泡运动特性的测试与分析

该文用高速摄影对稳定状态静止水下气泡生成和运动形态进行分析,详细讨论了气泡的动力理论特性.运用数字图像处理技术,对高速摄影图片的像素进行灰度归一化处理及二进制转化,通过对气泡质心运动的跟踪来获得其运动特性,并对所得数据进行编程处理分析,得到气泡运动轨迹.同时,结合Stokes和卡门涡理论分析,得到稳定状态下不同尺寸单个气泡的速度变化规律,运动轨迹规律等各种运动特性,并将实验结果与理论进行比较分析来判断其可行性.对稳定状态下的气泡研究可以为更深入的研究有扰动下的气泡复杂性提供基础和依据.     

气泡艇机动过程中气泡稳定性分析

该文采用基于RANS的数值模拟方法对气泡艇在机动过程中(横倾、斜航和回转)的气泡稳定性及其受力情况进行了研究,获得了气泡艇机动状态下的艇底气泡形态、自由面兴波和压力分布等结果,初步分析了机动过程中,气泡是否可以形成并稳定维持、气腔内气泡的形态以及喷气对气泡艇稳定性的影响等问题,计算结果可为气泡艇方案设计提供参考。     

INTERACTION OF A CAVITATION BUBBLE AND AN AIR BUBBLE WITH A RIGID BOUNDARY

The motion of a spark-induced cavitation bubble and an air bubble near a rigid boundary is experimentally studied by using high-speed photography. Several dimensionless parameters are used to describe the geometrical configuration of the bubble-bubble-boundary interaction. The bubble-bubble interaction can be considered in two different conditions. The cavitation bubble will collapse towards the air bubble if the air bubble is relatively small, and away from the air bubble if the air bubble is relatively large. The two zones are identified in the bubble-boundary interaction, and they are the danger zone and the safety zone. The relative position, the bubble-boundary distance and the bubble-bubble distance play important roles in the bubble-bubble-boundary interaction, which can be considered in several conditions according to the responses of the bubbles. Air jets are found to penetrate into the cavitation bubbles. The cavitation bubble and the air bubble (air jet) move in their own way without mixing. The motion of a cavitation bubble may be influenced by an air bubble and/or a rigid boundary. The influence of the air bubble and the influence of the boundary may be combined, like some thing of a vector.     

采用乳化空气泡做示踪粒子的PIV测速技术

本文介绍一种适用于水洞力学实验的采用乳化空气泡作为示踪粒子的ＰＩＶ测速技术。选用乳化空气泡做ＰＩＶ测速示踪粒子，取代了通常采用的固体颗粒，由两台ＹＡＧ大功率脉冲式激光光源组合系统做为ＰＩＶ底片记录的双脉冲曝光光源。乳化空气泡的最大优点是对实验水洞或水槽无污染，且产生方便、经济，又可以形成高质量的杨氏条纹图像。这一技术能够使得ＰＩＶ测速技术在水洞力学应用测量中真正达到实用。     

掺气水流的气泡尺寸检测

近年研究表明,高速水流泄水建筑物的掺气减蚀效果,不仅与掺气浓度有关,还应考虑气泡密度;认为0.2 mm或0.5 mm以下的微小气泡在掺气减蚀中起主要作用,可能只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀效果。因此在掺气减蚀研究中,必须加强对气泡尺寸的检测。分析总结了针式掺气流速仪应用经验,建议气泡当量尺寸直接采用探针检测得出的中值尺寸d50。虽然预计d50、气泡间距比实际偏大,气泡密度偏小,但是测量成果对于研究掺气减蚀机理,制定掺气减蚀的新标准,有重大意义。     

掺气减蚀研究的新方向

利用针式掺气流速仪测量掺气浓度场、流速场，气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明，原型水流韦伯数高，形成微小气泡的能力比模型强，气泡上浮慢，接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大，0．2mm或0．5mm以下的微小气泡可能在掺气减蚀中起着主要作用，完善掺气检测仪器，加强掺气水流中气泡尺寸及其概率分布的观测，比较不同气泡尺寸的掺气减蚀作用，建立多级气泡尺寸的掺气水流数学模型，是今后掺气减蚀研究的新方向。     

自由液面附近空化泡的溃灭特性

研究自由液面附近空化泡的溃灭特性对认识水利水电工程中的空蚀破坏机理具有重要意义。为进一步认识自由液面附近空化泡的溃灭特性,开展了电火花激发空化泡试验。结果表明:(1)空化泡与自由液面距离较近时总是背离自由液面溃灭,背离的临界条件为空化泡与自由液面的距离约是空化泡最大半径的5倍。空化泡尺寸越大或空化泡与自由液面距离越近,其背离现象越明显。(2)自由液面附近双空化泡相向溃灭融合,且融合体背离自由液面移动。(3)在自由液面和空气泡的共同影响下,空化泡的溃灭方向是二者分别对空化泡作用的矢量和。通过本文研究,对自由液面附近空化泡的溃灭有了定量认识,可以在一定条件下预测空化泡的溃灭方向。     

基于水动力学计算的气泡上升规律研究

不同直径气泡上升时间与水深之间的关系是气泡浮子法测流的基础。针对静水中气泡上升的加速与匀速过程进行了计算与分析,将气泡上升过程划分为加速与匀速段,基于流体力学原理,求得气泡匀速上升速度与直径之间的关系、加速时间及其高度占总上升过程的比例,以及不同直径气泡冒出时间与水深之间的关系。结果表明,气泡直径在[0.5,2.0]mm区间时最终速度的流态处于过渡区,在（2.0,4.0]mm区间时最终速度的流态处于紊流区,且最终速度随直径增大而增大;加速上升时间及其高度占总过程的比例极小,故可对气泡上升全过程近似做匀速处理;相同水深下,气泡直径越大,冒出时间越短。     

圆形洞室底拱混凝土表面气泡的成因及消减措施

底拱混凝土表面出现气泡质量缺陷 ,是圆形洞室混凝土浇筑存在的通病。水布垭水电站放空有压洞在下半洞混凝土浇筑施工中出现了表面气泡。对其成因及影响因素进行了分析 ,并提出了相应的改进措施     

掺气减蚀保护作用的新概念

利用针式掺气流速仪测量原型和模型掺气浓度场、流速场，气泡尺寸及其概率分布的研究成果表明，原型水流韦伯数高，形成微小气泡的能力比模型强，气泡上浮慢，接近底部的小尺寸气泡概率及掺气浓度比模型大。初步研究认为：0.2mm或0.5mm以下的微小气泡在掺气减蚀中起着主要作用，可能只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀的效果。因此以小尺寸气泡的掺气浓度，作为判断掺气减蚀保护作用的指标将更为准确。     

Experimental study on wave-current structure around a pneumatic breakwater

A model of a pneumatic breakwater comprised of perforated pipes placed on a wave flume bottom and connected to a piston-type air compressor is installed in a wave flume. Ascending air bubbles form an aerial barrier which dissipates wave energy and reduces the height of transmitted waves. The model is exposed to regular waves with fixed parameters, and its properties are modified by changing the amount of air supplied to the pipes. Particle Image Velocimetry and Acoustic Doppler Velocimetry methods are employed to measure a wave-current velocity field in the close vicinity of a submerged aerial barrier used as a breakwater. The measurements are supported by free-surface elevation registration in order to evaluate the effectiveness of the pneumatic breakwater in damping waves and to identify processes responsible for wave energy dissipation. Basing on the measurements, the performance of the pneumatic breakwater in different wave conditions is analysed. The results indicate that the dissipation of energy inside a region of a turbulent flow induced by ascending air bubbles may be considered the main mechanism of wave energy attenuation by pneumatic breakwaters.