侧掺气空腔长度计算方法研究

掺气空腔长度是衡量掺气减蚀效果的核心水力指标。针对关于侧掺气空腔长度计算方法的研究成果偏少的现状,通过模型试验和量纲分析,对陡槽上不同坎高和坡度侧掺气坎的空腔特性和射流扩散特性开展了研究,分析侧掺气坎体型参数及来流水力学参数对侧空腔长度的影响,推导出侧空腔长度计算公式,并采用多组实验数据进行了验证。结果表明该公式能较准确地估算侧掺气空腔长度。     

挑坎型掺气减蚀设施过流掺气特性研究

采用一维激光测速系统，对掺气减蚀工程中常用的直线型挑坎的流场特性进行试验研究．通过测量挑坎上及空腔区水流的流速分布及紊动特性，探讨通气量与紊动强度的关系．同时在深入研究流场特性和掺气机理的基础上，通过分析影响掺气的因素，从理论上探求临界掺气流速的计算，重点分析挑坎型掺气过流在空腔负压较大的情况下，临界掺气条件的理论预测，并通过试验资料验证了该计算方法．在此基础上，还进一步研究了掺气量的计算公式及其变化规律．     

低Fr数流动跌坎掺气槽的水力及掺气特性

通过模型试验和理论分析，研究了低Fr数(Fr<7)流动情况下空腔积水对跌坎掺气设施水力及掺气特性的影响。建立了计算跌坎掺气设施水力及掺气特性的预测数学模型。给出了射流出射角的修正式；积水尺寸的计算式；掺气设施实际运行工况(空腔长度、空腔负压、掺气量等)的预估方法。研究表明，低Fr数流动情况下，由于重力作用显著，积水对水力及掺气特性均有显著影响。     

泄槽底坡对掺气坎射流空腔积水的影响

通过作者建立的掺气坎射流曲线方程和掺气空腔积水方程,分析计算了泄槽底坡对跌坎型、挑坎型和挑跌坎型3种掺气坎掺气空腔积水的影响.计算结果表明,泄槽底坡对3种体型掺气坎掺气空腔积水的影响规律是一致的.随泄槽底坡增大,空腔积水减弱,最终消失;掺气坎后挑射水流与底板的冲击角随泄槽底坡增大而减小;不同体型掺气坎的临界冲击角是不一样的.研究成果可为掺气坎的设计提供参考.     

低弗劳德数下挑坎体型对掺气的影响试验

通过变换坎高及挑坎坡度,制作不同体型的挑坎模型,将其置于可变坡有机玻璃水槽中,研究在不同流量下坎后掺气空腔长度及回水深度的规律。试验结果表明:在其他条件不变的情况下,来流量与空腔长度成正比,挑坎高度对空腔长度的影响比挑坎坡度要大得多;流量越大,空腔回水深度越低,而空腔回水深度却随着挑坎高度的增加而增加,挑坎高度的增加与回水深度的减轻并不成正比;在试验条件下,射流水舌冲击角5.5°时已出现空腔回水,空腔回水的出现与射流水舌冲击角密切相关,但归根结底还是与来流条件、水槽底坡、掺气坎体型的确定有关。     

V型掺气坎在龙抬头式泄洪洞中的应用

本文通过试验研究,从掺气坎后空腔区的三维形态考虑,提出了一种新型V型槽式掺气坎(简称V型坎),其主要特点是:坎后射流水舌的流速、挑角和高程沿中心向两侧保持连续变化,其水舌落水点范围即空腔长度成为一连续变化的曲线,且沿曲线水流流速亦呈连续变化,很好地减弱或消除了龙抬头式泄洪洞掺气坎后水流落水处产生的回水.在V型坎出口断面处,水流的三维扩散充分,水舌与空腔的接触面明显增大,对底空腔长度、通气量等掺气特性指标都有明显改善.     

掺气坎(槽)射流空腔长度的计算

从分析掺气坎(槽)射流微分水体受力的力学关系出发，考虑了空腔内负压及运动液体所受离心惯性力的影响，建立起射流水舌下缘液体质点运动轨迹的微分方程．提出一种通过物理力学概念求解射流空腔长度的计算方法，并分析了空腔内负压、挑角等水力参数对射流空腔长度的影响．计算结果与试验值吻合良好。     

通气挑坎射流的挟气能力

近年来,国内外都有人研究利用水流掺气来减免水工建筑物的空蚀破坏。目前,在设计通气防蚀设施时,一般都通过水工模型试验来选定布置方案.但是,模型试验的某些指标,如通气量、掺气浓度等,如何引伸到原型,目前仍在研究中.因此,探求确定这些指标的方法就显得非常必要.本文拟对通气挑坎射流的挟气能力,即射流空腔中通气量的确定进行讨论.此种射流的挟气能力直接与空腔长度有关.因此,本文前半部分讨论了与挑坎射流挟气能力密切有关的射流空腔长度,提出在利用刚体抛射公式计算射流空腔长度时,应进行修正,给出了射流出射角修正系数A、能量损失系数B和距离校正系数C.后半部分讨论了挑坎射流挟气能力,以试验资料为依据,分析了射流掺混区掺气扩展深度;并对空腔终点断面的掺气量进行积分而求得单宽通气量.     

明渠掺气坎体型优化的数值方法

本文将流经掺气坎的水流视为二维势流,归结为拉普拉斯方程,采用有限单元法求解,确定射流轨迹、水流流速以及掺气空腔长度、空腔高度、水舌撞击角、掺气量和掺气浓度等,从而优选出可行的掺气坎体型。计算方法和相应程序得到了实验验证,可在工程设计中应用。     

底部掺气设施水流掺气量的计算

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。     

底流消能的跌坎型消力池再附长度的试验研究

再附长度是衡量坎后底滚回流区水流特征的一个重要参数,再附长度随水流入射角度、跌坎深度的变化而变化。根据平面紊动射流理论,建立淹没紊动射流的扩散方程,推导出再附长度计算的半经验公式,并结合水力学试验,对公式进行验证。结果表明,通过试验观测所得观测值与通过半经验公式计算所得理论值吻合较好。     

EMERGENCE ANGLE OF FLOW OVER AN AERATOR

Aerator is an important device for release works of hydraulic structures with high-speed flow in order to protect them from cavitation damage. This kind of protecting effect is related closely to cavity length below the aerator, while the cavity length is dominated by the emergence angle over the aerator. Therefore it is crucial to determine this angle accurately. In the present paper the affecting intensities of flow depth and the fluctuating velocity on this angle were analyzed through two introduced parameters. Furthermore, the improved expressions of emergence angle estimation, for both ramp-type and step-type aerators, were presented by means of 68 sets of experimental data from 6 projects based on error theory. The results showed that the present method has higher accuracy than the previously reported methods.     

掺气减蚀挑跌坎与水流紊动特性

本文应用二维激光测速装置测量孔口后明槽水流紊动特性（时均流速、纵向垂向脉动流速强度分布）及掺气减蚀挑跌坎对其产生的影响程度和范围。明槽水流趋于稳定断面的平均相对纵向脉动流速强度σ↑－ｘ／ｕ↑－ｘ为０．０７，相对垂向脉动流速强度σ↑－ｙ／ｕ↑－ｘ约０．０３４，与其他条件下的测量结果一致；掺气减蚀设施会使时均流速减小，而纵向脉动流速强度和垂向脉动流速强度则会明显增强。但掺气设施对水流紊动特性的影响是沿     

Cavity filling water control below aerator devices

With the rapid development of high dam projects within China, the dragon-drop-tail spillway tunnel is introduced and widely used. In view of the high water head and the large flow velocity on the dragon-drop-tail section, aerator devices are usually placed for the cavitation damage control. For the device placed in its initial position, it is a serious concern to design a suitable flow regime of the cavity and to control the cavity filling water due to the large flow depth and the low Froude number through this aerator. In this study, the relationships between the geometries of the aerator device and the jet impact angle of the lower trajectory of the flow are theoretically analyzed with/without a local slope. Nine test cases with different geometries are designed, the effectiveness of the filling water control is experimentally investigated under different operation conditions, and two criteria of the local slope design are proposed. It is concluded that the cavity flow regime and the filling water can be improved if a small impact angle and some suitable geometries of the local slope are designed.     

机械通风冷却塔风筒内流场数值模拟研究

在机械通风冷却塔风机出口设置风筒可以降低出口动压,降低风机能耗。本文利用流体计算软件FLUENT进行数值模拟,研究了风筒内空气流动,发现风筒内空气呈旋转紊流射流流动;不同风筒高度与扩散角研究结果表明,随着风筒扩散角增大,风机风量和风筒动能回收率都呈现先增大后减小的变化规律;风筒高1/2D时,最佳扩散角为18°;风筒高1/3D时,最佳扩散角可以增大到20°;扩展了规范规定的最大扩散角不大于15°的限制。研究结果可供风机风筒设计改造时参考。     

斜向进水消力井水力特性模拟研究

水利水电工程中的泄水建筑物出口往往正冲河道,圆形消力井可以很好地适应山区峡谷地形条件的变化,使下泄水流平顺归河。针对一定纵坡条件下,尾水出口与泄槽轴线呈非对称正交的圆形消力井内复杂的水力特性问题,采用有限域数值模拟计算的方法对比验证并补充了物理模型试验成果,进一步开展了沿空间射流方向的相关水力要素机理分析。研究表明:消力井内水流流态依次呈平面横向紊动扩散自由射流、主流动力自相似淹没射流和冲击射流、近壁面附着扩散旋滚水跃3个临界雷诺数分区演变过程;沿程最大流速变化符合试验半经验公式拟合规律且近似呈平面扩散分布;水体压强结构特征可分解为水平轴对称及竖直变幅下的叠加分布。     

泄洪洞扭曲型挑坎数值模拟应用

为探究验证泄洪消能工扭曲型挑坎的可行性和合理性,以红岩河水库右岸泄洪洞末端扭曲型挑坎为例,采用标准k-ε湍流模型和VOF多相流模型对扭曲型挑坎进行水气两相流三维数值模拟。研究结果表明计算域的整体流态及水面线高程与水工模型试验数据吻合良好,计算误差较小;挑距挑高及冲刷坑深度数据均显示挑坎布置合理,运行安全;下游冲刷趋势与流速紊动能分布均显示消能充分,水流顺利归河。为后期使用数值模拟的研究方法对大交角狭窄河道情况及挑流鼻坎型式的优化设计提供了参考和借鉴。