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。     

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。     

气泡尺寸与气核数目对初生空化的影响综述

衡量掺气效果的传统方法主要以掺气浓度为指标,认为掺气浓度大于2%时很少发生空蚀破坏。但新的研究表明,掺气浓度即使在很低的范围也可能不发生空蚀破坏。从气泡尺寸和气核数目对初生空化的影响入手,通过分析已有数据,探索衡量掺气效果的因素,得出初步结论。掺气减蚀效果不仅与掺气浓度有关,而且还与气泡尺寸有关,低于10-3m级尺寸的气泡对空泡溃灭冲击波的削弱作用不可忽略;其他条件一定时,气核数目增大,会促进空化现象的发生。     

高速掺气水流的气泡级配

用针式掺气流速仪观测高速掺气水流中气泡的数量和直径。将小浪底工程泄洪洞中闸室原型与模型中相应测点的气泡资料对比后表明，原型中d＞2mm的气泡基本符合重力相似准则，可以在模型中模拟。     

空蚀冲击波模式下气泡尺寸在掺气减蚀中的作用

根据纵波在气液两相流（泡状流）中传播时的衰减规律，从理论上详细探讨了水中单个小气泡、气泡群对压力冲击波衰减所起的作用。结果表明小气泡的尺寸或气泡群的最大概率尺寸是减缓压力波强度的关键因素。给出了减缓已知频率的空化压力冲击波的最有效气泡半径（最大概率半径）的计算公式，对应各种不同的气泡尺寸（最大概率尺寸）压力衰减程度的计算公式。这有助于从微观上深入理解掺气减蚀的机理以及认识掺气减蚀的保护作用。     

掺气水流掺气浓度缩尺影响的估计

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，本文首次对这种影响进行定量估计。研究表明，模型的比尺λL应足够大，以减小掺气浓度的缩尺影响。     

掺气减蚀减压模型相似律问题的探讨

通过大朝山水电站表孔减压水力学模型试验结果与原型资料对比分析，对掺气减蚀减压水力学模型与原型之间的相似律问题进行了研究。研究结果表明，传统水力学减压试验方法在掺气减蚀减压模型中，由于存在模型和原型之间掺气不相似、初生空化界限不明确等问题，致使模型水流空化特性试验结果与原型差异比较大，只有通过空化部位水流掺气相似得到的减压模型试验结果才能与原型空化达到基本相似的要求。     

掺气减蚀技术及掺气设施研究进展

为优化掺气设施体型并对其水力特性进行研究,在已有理论研究成果与工程实践经验基础上,从水流掺气减蚀机理、掺气水流运动特性及掺气设施体型及布置三方面评述了水流掺气减蚀技术研究进展。针对目前掺气减蚀技术研究中存在的不足,认为今后应进一步加强多泡情况下空化泡-空气泡-边壁微观作用机制,近壁(底板、侧壁)水体掺气浓度、气泡特征的沿程演变规律,复杂条件下掺气设施体型优化等方面的研究。     

掺气水流不同粒径气泡运动特性研究

采用三维数值模拟方法和离散相模型(DPM模型)模拟了不同比尺高水头直槽式泄洪洞和带反弧泄洪洞掺气水流中不同粒径气泡的运动特性,分析了不同粒径气泡对近壁掺气浓度的影响范围,研究成果可为掺气浓度的缩尺效应提供依据。分析表明,气泡的影响范围与流速成正比,与气泡的粒径成反比;泄洪洞底坡越小,气泡的影响范围越大;泄洪洞反弧段半径越大,气泡的影响范围越大。     

大型“龙抬头”明流泄洪洞小底坡掺气减蚀设施的选型研究

本文介绍“龙抬头”式明流泄洪洞掺气减蚀的试验成果。推荐一种适用于高流速、大单宽流量、小底坡明流泄洪洞的新颖U型槽式掺气坎。同时根据水力模型试验和原型观测资料,及前人研究成果综合分析,对掺气减蚀设施的选型提出了设计原则和意向性意见。     

台阶溢流坝过流掺气减蚀问题的研究

根据大朝山水电站表孔减压模型试验资料,结合原型观测有关资料,对台阶溢流坝掺气减蚀问题进行了分析研究。结果表明,利用表孔宽尾墩+台阶面的过流形式,可以解决台阶面大单宽过流掺气减蚀问题,台阶面水流近底掺气浓度最小在5%以上。高坝试验结果还表明,坝高增加20 m,台阶面水流掺气浓度沿程分布规律不变,即该掺气减蚀方法应用范围可推广至坝高131.0 m的台阶溢流坝。     

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.     

Experimental study of the interaction between the spark-induced cavitation bubble and the air bubble

Experiments are carried out by using high-speed photography to investigate the interaction between the spark-generated cavitation bubble and the air bubble in its surrounding fluid. Three problems are discussed in detail： the impact of the air bubble upon the development of the cavitation bubble, the evolution of the air bubble under the influence of the cavitation bubble, and the change of the fluid pressure during the development of a micro jet of the cavitation bubble. Based on the experimental results, under the condition of no air bubble present, the lifetime of the cavitation bubble from expansion to contraction increases with the increase of the maximum radius. On the other hand, when there is an air bubble present, different sized cavitation bubbles have similarity with one another generally in terms of the lifetime from expansion to contraction, which does not depend on the maximum radius. Also, with the presence of an air bubble, the lifetime of the smaller cavitation bubble is extended while that of the bigger ones reduced. Furthermore, it is shown in the experiment that the low pressure formed in the opposite direction to the cavitation bubble micro jet makes the air bubble in the low pressure area being stretched into a steplike shape.     

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。     

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺 1∶20 的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。