掺气减蚀设施空腔回水问题试验研究

摘要

越过掺气坎的高速水流，在坎后将形成分离区，由于两侧向该区补气，此分离区将变为由空气填充的空腔。研究发现，在小底坡的情况下设置掺气坎(槽)，往往会造成掺气空腔内回水。空腔回水是制约有效空腔长度的一个主要因素，有时甚至是决定性因素。因为空腔回水将使掺气空腔时长时短、时有时无、极不稳定，达到一定深度时还可能阻塞进气通道，影响掺气效果，不利于水流充分掺气，严重时甚至造成空蚀破坏。基于上述原因，对掺气空腔回水进行分析研究具有十分重要的现实意义。 本文通过对掺气减蚀设施的试验和理论分析，在借鉴参考前人研究成果的基础上，对掺气设施后的空腔内回水现象进行了一些研究。 首先，从力学角度对掺气空腔回水的形成机理进行了分析。本文以总流的动量方程式为基础，对空腔回水的形成进行分析。结果表明，流向掺气设施的水流经过掺气坎时，由于受到掺气挑坎的作用，水流向上挑射，脱离坎的下边界，当挑坎具有一定的高度时，就能在坎下形成空腔，使水流掺气。经挑坎挑射而形成的水舌，由于受到重力作用的影响，在行进过程中，会重新回落到下游底板上。在回落的过程中，挑射水流以一初速度射向下游平直底板，当水流被底板阻挡以后，可分为两股，其中一股水流沿底板流向下游，另一股水流则沿底板向上回流入掺气空腔中，从而形成空腔回水。 其次，分析了空腔回水与其影响因素的关系。具体包括：空腔回水与来流单宽流量的关系，空腔回水与来流佛汝德数的关系，以及空腔回水与射流水舌冲击角的关系。经过分析比较得出，最主要的影响因素是射流水舌冲击角。该角综合反映了各影响因素的作用，它的大小与水槽底板坡度，掺气坎的几何参数(体型、高度等)及坎上来流的水力条件(流速、水深等)等因素有关。同等条件下，此角越大，空腔回水深度越大，回水越严重。 最后，分析了消除空腔回水的方法。通过修改掺气坎自身的体型和优化掺气设施下游的底板，可以达到尽量增加掺气空腔长度，消除空腔回水的目的。本文侧重讨论了优化掺气设施下游的衔接方式的方法，对掺气设施下游衔接方式的各种优化型式(直线形、圆弧形和抛物线形)进行了初步的理论分析和比较。抛物线形底板因其水舌冲击角的变化值最小，理论上可以更好地达到消除空腔回水的目的，为三种型式中的最优方案。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

2试验装置与试验工况

3空腔回水及其与影响因素的关系

4变坡条件下的空腔回水试验与分析

5结论

参考文献

作者在读期间发表论文及参加科研项目的情况

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