明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究

摘要

明渠自掺气现象常见于水利工程,当水流流速较高时,空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流,水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验,而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型,利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证,掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好,说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现,对于明渠完全掺气水流,掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部,使得壁面对掺气水流阻力作用减小,造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。