掺气减蚀保护作用的新概念

2003年08月SHUILI XUEBAO第8期

文章编号：0559-9350(2003)08-0070-05

掺气减蚀保护作用的新概念

陈先朴1，西汝泽1，邵东超1，梁斌1

(1.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽蚌埠 233000)

摘要：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。

关键词：高速水流；掺气减蚀；掺气浓度；针式掺气流速仪；气泡尺寸；气泡概率分布

中图分类号：V131.3 文献标识码：A

高速水流泄水建筑物的过流面常遭空蚀破坏，仅采用控制壁面不平整度及抗空蚀材料的方法，往往不能奏效，自20世纪60年代开始应用掺气减蚀措施。在工程设计中认为掺气浓度达到2%～3%，即可达到掺气减蚀的保护作用，然而原型观测中常常出现掺气浓度小于1%也未发生气蚀破坏的例子。作者通过利用近年开发的针式掺气流速仪测定高速水流的掺气浓度场和流速场，分析水流中的气泡尺寸及其概率分布，提出了掺气减蚀保护作用的新概念。

1 掺气测量仪器简介

常用的有针式掺气仪、放射性掺气仪和电导式掺气仪。针式掺气流速仪利用掺气探针直接检测水中的气泡信号，可以测量完整的掺气浓度场和流速场，分析掺气水流的气泡尺寸及其概率分布。与以往仪器相比，更适合于掺气水流运动规律及模型律、掺气减蚀机理的研究。针式掺气流速仪由掺气探针，放大整形电路，计算机采集系统组成，见图1。掺气探针为尺寸0.1mm的铂金电极。当气泡通过针尖时，信号为1，水通过针尖时信号为0。利用前后设置的2个掺气探针，应用示踪法原理，测量气泡信号通过2个掺气探针的时间，可以得出流速[1]。

2 掺气水流的主要运动特性及模型相似性

收稿日期：2003-04-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50279022)

作者简介：陈先朴(1939-)，男，安徽蚌埠人，教授级高工，主要从事防洪、河道整治，高速水流掺气减蚀，水利量测仪器等研究。

2003年08月 SHUILI XUEBAO 第8期

掺气水流的运动状况沿程可划分为3段：空气掺入段，空气自挑流水舌的上下表面卷吸掺入水中，水中空气含量沿程增大；空气逸出段，水中空气含量沿程减小；稳定段，水中空气含量沿程不变。图2是这一水流特性在典型工程中的实例。

掺气模型试验满足以下条件：

模型水流流速满足

V ≥6～7 (1)

模型韦伯数满足

500/≥=ρσL

V W B (2)

式(1)、(2)中：W B 为韦伯数；V 为流速，单位m/s ；L

为特征长度；σ为表面张力系数；ρ为密度。

模型通风量可以按重力相似准则换算至原型。黄

河小浪底工程孔板泄洪洞中闸室的原型观测结果证

实，模型与原型通风量相似，说明满足以上条件时模

型与原型水流卷吸空气的能力是相似的，即在空气掺

入段，模型与原型水流的掺气浓度也是相似的。

模型研究表明，在空气逸出段，以气泡数量计，

气泡尺寸越小，概率越大，越接近底部，小尺寸气泡概率越大，近底部小尺寸气泡部分的浓度沿程衰减

慢，沿流程向下游，底部小尺寸气泡概率增大，见图3、图4。

2003年08月SHUILI XUEBAO第8期模型中表面张力不能按比例缩小，水流韦伯数低，形成微小气泡的能力比原型弱，因此小尺寸气泡概率比原型小。如小浪底工程孔板泄洪洞，以气泡数量计，尺寸0～0.2mm(未按模型比尺换算)的气泡原型占61%，模型占30%。按模型比尺换算后，以气泡数量计，0～4mm的小气泡原型占88%，模型为30%；以气泡体积计，0～4mm的小气泡原型占20.4%，模型为6.7%，原型小气泡明显增多，见图5(图中模型气泡尺寸已乘以20换算为原型值) 。

(a)气泡体积(b)气泡数量

图5 气泡概率分析(Δd=4mm)

将原型中1mm以下部分的气泡体积(占7.5%)扣除再进行比较如图6，原型与模型气泡体积与数量的概率曲线均符合较好，气泡体积的累积曲线误差也不大于10%，说明原型大于1mm(模型大于0.05mm)的气泡可以在模型中模拟。

(a)气泡体积(b)气泡尺寸

图6气泡尺寸1mm以下部分气泡概率曲线(Δd=4mm)

由于空气的可压缩性大，原型与模型水深相差大，这

对底部掺气浓度的模型与原型换算影响很大。以小浪底工

程孔板泄洪洞为例，底部在掺入同样比例空气量的情况下，

因空气的压缩率不同，底部原型掺气浓度将比模型小约

27%。水流中气泡的运动规律受气泡上浮和紊动扩散的控

制。根据紊流研究成果，紊动强度在接近底部最大，在紧

接边界处紊动强度迅速减小，见图7。尺寸小于1mm的气泡

上浮速度很小，实测掺气浓度在底部紧接边界处很小，距

边界0～0.65m逐渐增大，0.65m以上掺气浓度变化很小，

符合水流垂向紊动强度的分布特性。而大于1mm的气泡，

受气泡上浮速度影响大，掺气浓度自底部向水表面逐渐增

2003年08月SHUILI XUEBAO第8期大，见图8。

如上所述，影响模型与原型掺气浓度的换算有以下因素：模型与原型通气量相似，水流下层掺入的空气量相似；在掺入的空气量相似前提下，由于原型水压力大、空气体积缩小，原型水流下部平均掺气浓度应比模型小；而由于原型水流韦伯数高，形成微小气泡的能力比模型强，气泡上浮慢，使得原型接近底部掺气浓度应比模型大。小浪底工程孔板泄洪洞观测成果说明，综合各种因素，原型接近底部掺气浓度比模型大，见图9，掺气浓度采用针式掺气仪测量。

(a)整体

(b)底部放大图图9 掺气浓度原型与模型比较

3 掺气减蚀的保护作用

据Russell等试验成果[2]，当近壁水流中掺气浓度达1.5%～2.5%时，混凝土试件的空蚀破坏显著减少，掺气浓度达7%～8%时，混凝土试件的空蚀破坏基本消失，见图10(a)。近年工程设计中认为掺气浓度达到2%～3%，即可达到掺气减蚀的保护作用，也是参考了这一研究成果。按照这一标准，在较长的溢流面上往往要沿程设置多个掺气挑坎。在原型观测中，常有掺气浓度小于2%～3%，而并未发现空蚀破坏的例子，如鲁布革水电站左岸泄洪洞距离上掺气坎下游较远处掺气浓度为0.4%，距离下掺气坎下游较远处掺气浓度为1.4%，均未发现空蚀破坏[3]；黄河小浪底工程1号泄洪洞在中闸室后段底板掺气浓度为1.2%，也未发现空蚀破坏。在船舶螺旋浆的研究中[4]只要很微小的空气含量0.006%，即有明显的减蚀效果，见图10(b)。两项研究中的掺气浓度相差400倍。笔者认为可能是因为两项研究水流中气泡尺寸不同造成的。这些情况说明，以多少掺气浓度作为掺气减蚀保护作用的工程设计标准需要进一步深入研究。