掺气减蚀保护作用的新概念
泄洪洞掺气减蚀探讨
下 闸蓄 水 ，是 一 座 以防 洪 、灌 溉 为 主 ，兼 顾 供 水 、
养 鱼及旅 游 等综合 利用 的 中型水 库 。 水库 枢纽 由大 坝 、泄洪 洞 、灌 溉 洞 和溢 洪 道 组
成 。泄洪 洞 位 于 大 坝 中 部 ０＋４ ３ ５处 ， 由进 水 塔 、
设 施 ，第一 处掺 气设 施位 于渥 奇 曲线 末 段 ，掺气 坎
的形式 为挑 坎和槽 组 ；第二 处 掺气 设 施设 在龙 抬 头 反 弧段末 端 ，形 式为跌 坎 ，其 后则 为 直坡 段 。通 风
１ 工 程 概 况
涝 河水 库位 于 汾河支 流 涝河 干 流上 ，大 坝 座 落
在距 临 汾市 城东 ２ ０ ｋ ｍ 的 临 汾市 尧 都 区 大 阳 镇 东 河
收 稿 日期 ：２ ０ １ ６ — ０ ８ — ２ ６
工 况 下 能 够 保 证 水 流 经过 其 后 具有 均 匀 的 流 速 场 和 压 力 场 ，表 明 掺 气 减 蚀 作 用 明显 。
关 键 词 ：泄 洪 洞 ；掺 气减 蚀 ；数 值 模 拟 ；ｖ 型坎 ；ｕ 型 坎
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｖ ６ ５
文 献 标 识 码 ：Ｂ
文章 编 号 ：１ ６ ７ ２ — ２ ４ ６ ９ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ４ — ０ ０ ５ １ — ０ ４
绍 。罗 永钦 等则 以 溪 洛 渡 水 电站 ３ ＃ 泄 洪 洞 为 研 究 对 象 ，对高 坝 明流泄 洪 洞 的掺气 减蚀 问题 进行 了
分 析 和探 讨 ，认为 对 于高 流速 、大 梯度 泄 洪洞 水 力 学 问题 ，采用 分 段计算 能 提高计 算 速度 。
尾坎位置和高度的变化对坎式阶梯溢洪道性能的影响
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·48·2022年第02期文章编号：2095－6835（2022）02－0048－03尾坎位置和高度的变化对坎式阶梯溢洪道性能的影响乔超亚1，2，李晓超1（1.华北水利水电大学电力学院，河南郑州450045；2.浙江水利水电学院水利与海洋工程研究所，浙江杭州310018）摘要：坎式阶梯溢洪道是一种改进的阶梯溢洪道，相对于普通的阶梯溢洪道具有更好的消能效果。
目前人们对此类溢洪道的研究较少，为了解尾坎的高度和位置对流态、掺气效果和消能率的影响，采用数值模拟的方法对这些问题进行了研究。
结果表明，当尾坎位置不变时，随着尾坎高度和尾坎与台阶末端距离之比σ的增大，流态的类型并未发生改变；当σ不变时，随着尾坎位置的后移，流态趋近于滑行流；尾坎位置向下游移动时，掺气效果更好，消能率提升；随着尾坎高度与尾坎和台阶凸角的距离之比σ的增加，掺气效果无明显变化规律，当尾坎位置在台阶水平面中线之前和台阶水平面中线时，消能率先增大后减小，当尾坎位置在台阶水平面中线之后时，消能率先减小后小幅增大。
研究结果可为坎式阶梯溢洪道的设计提供参考。
关键词：坎式阶梯溢洪道；掺气效果；消能率；数值模拟中图分类号：TV314文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2022.02.014阶梯溢洪道作为泄水建筑物的一部分，其特点是消能率大[1]，可以减小下游水垫塘、消力池等设施的规模，从而降低成本[2]。
坎式阶梯溢洪道是通过在其台阶上加设一道尾坎得来的改良型阶梯溢洪道，虽然该类溢洪道已经应用于工程实例当中，但是人们对它的研究甚少。
OHTSU和YASUDA引入“过渡流”机制，将阶梯上的流态分为“跌落流”“过渡流”“滑行流”3种[3]。
FELDER等[1]对坡度为8.9°和26.6°的坎式阶梯溢洪道进行了物理模型试验研究，指出坎式阶梯溢洪道相对于阶梯溢洪道而言具有更好的掺气和消能效果，其中坡度为8.9°的溢洪道消能效果更好，但是其流态更不稳定。
掺气减蚀简介
掺气减蚀简介1 概述掺气减蚀措施最早应用于水力机械，在高水头泄水工程中的应用是在20世纪60年代开始的，美国的大古力坝(Grand Coulee Dam)泄水孔锥形管出口下游在屡次发生空蚀破坏后，设置了掺气槽，以后没有发生过空蚀破坏，掺气被证明是解决空蚀破坏的最有效的途径。
国内的第一个采用掺气减蚀设施的是冯家山水库的泄洪洞。
目前掺气减蚀已在溢洪道、泄洪洞、陡槽、闸下出流、竖井等高水头大单宽流量的泄水建筑物中得到广泛的应用，并取得了显著的减蚀效果和社会经济效益。
随着坝工技术的提高和水电建设事业的发展，我国高坝建设发展迅速，坝高不仅突破了200m，而且已进入300m量级，高水头、大流量泄水建筑物不断增多，与之相关联的脉动、振动、空化、空蚀、冲刷、雾化等一系列高速水力学问题日益突出，受到水利工程人员的广泛关注。
随着泄水建筑物水头越来越高，最大泄流速度高达40m/s，有的甚至超过50m/s，水流空化数大大减小，致使泄水建筑物的某些过流部位常常发生严重的空蚀破坏，空蚀破坏的强度大约与水流流速的5~7次方成比例。
空蚀不仅破坏泄流建筑物的过流表面，影响过流性能，降低泄流能力，严重时可导致泄流建筑物不能正常运行，甚至引起振动，导致工程破坏等。
总结目前泄水建筑物运行的成功经验，当过流表面的流速超过35m/s时，应设置掺气减蚀设施。
Peterka等的试验研究表明，向水流低压区通气是防止空蚀的有效方法。
当水中的掺气浓度达到C=1%~2%时，即可大大减轻固体边壁的空蚀破坏；当掺气浓度达到C=5%~7%时，空蚀破坏可完全消失。
还有一些研究表明，当水中近壁处的掺气浓度为C=1.5%~2.5%时，混凝土试件的空蚀破坏显著减少；当水中近壁处的掺气浓度达C=7%~8%时，则空蚀现象基本消失。
这是因为水中含气量较高时，增加了水气混合体的可压缩性，对气泡溃灭时所产生的冲击力起缓冲作用，减轻了它的破坏能力。
概括地讲，掺气减蚀的基本原理就是在泄槽高速水流区设置掺气坎、槽，当水流经过掺气设施时产生分离，在其下游形成掺气空腔，在高速水流的紊动作用下，迫使大量空气掺入水流中，对水流掺气，形成可压缩性的水、气混合体。
掺气减蚀概念及优化
本科生毕业论文题目巴拉水电站溢洪道掺气减蚀措施学院水利水电学院专业热能与动力工程学生姓名刘信祥学号0743081007 年级2007级指导教师邓军教务处制表二Ο一一年五月十六日巴拉溢洪道掺气减蚀措施专业：热能与动力工程姓名：刘信祥指导老师：邓军摘要:溢洪道一般过流较大、流速较高，都会因为其流速较高容易残生空蚀破坏。
在溢洪道上设置掺气设施，促使水流掺气，防止或者减少过水建筑物产生严重的空蚀，这种在水建筑物上设置掺气设施的方法，是水工中广泛采用的减蚀技术。
然而，由于掺气减蚀机理复杂，目前对于通气量等问题的理论研究不够，关于掺气槽体型的研究成果较少，尚未有一套成熟有效的理论方法。
本文通过模型试验，对溢洪道掺气槽进行实际分析。
得到以下结论：1.工程中常用的掺气减蚀措施：优化溢洪道体型，尽量使得过流表面的体型流线化,避免水流与固体边界发生分离现象；采用抗空蚀强度较高的材料作为过流表面材料;严格控制过流表面的不平整度。
采取掺气减蚀措施，设置掺气坎。
这也是工程中最常采取的有效措施。
2. 确定掺气坎的设置条件：工程实践得出在水流流速大于30m/s，空蚀指数σ<0.3时建议设置掺气坎，当水流速度大于36m/s,空蚀指数σ<0.2时必须设置掺气坎来减免空蚀破坏。
3. 影响掺气效果的因素：掺气坎的挑高和坎高，掺气坎的位置，通气竖井的通气情况和挑水水舌与边界的相交情况。
4.掺气坎空腔回水问题的研究及解决方案：分析了产生回水的理论原因，主要是受挑流落水点交角的影响，提出设置水平坡段将坡度集中起来，从而达到减小挑流落水点交角的目的。
关键词：溢洪道掺气减蚀掺气坎Abstract：The spillway had a hug flux and a heavy speed in generally. In order to protect the water-carrying structures, people took some measures, one of these is that take the flow to be aerated flow. aeration cavitation-alleviation for spillway dam is the most commonly way to protect the water-carrying structures. In this paper, finding the most suitable Flow Aeration Type for Bala hydroelectric power station is what pursue for Sluice Buildings, no matter what kinds of flows, cavitation damage will play a important role with the heavy speed. However, the mechanism of aeration cavitation-alleviation is complicate and nowadays there is few studies in these sphere. Say nothing of types of arators. In this paper, we had a conclusion by analyzing the model test concerned respectively:1. Engineering Aeration commonly used measures: optimize the spillway size, try to make the flow surface of the body streamlined to avoid the occurrence of flow separation with the solid boundary; cavitation-resistant high strength material as the material flow surface ; strict control over flow of surface roughness. measures taken Aeration, aerator set. This is also the project most effective measures taken.2. determine the conditions of Aerator: engineering practice gave the suppose that if flow velocity is more than 30m/s, and the cavitation index σ<0.3, the aerator should be set, when the flow speed is greater than 36m/s, the cavitation index σ<0.2 ,aerator must be set to avoid cavitation damage.3. the factors influencing cavitiation damage: the high ceiling and aerator high ridge, the location of aerator, ventilation shaft ventilation conditions and fetching water and the water situation in the tongue and the intersection of the boundary.4. Aerator backwater problems and solutions: theoretical analysis of the reasons for producing backwater, mainly by the challenge of living water point angle is proposed to set the level of the gradient slope sections together, so as to achieve reduced point angle pick purpose of living water.Keyword: spillway, aeration cavitation-alleviation, aerator目录第一章绪论 (7)1.1空化空蚀[5] (7)1.1.1空化空蚀相关概念 (7)1.1.2空蚀机理[6] (7)1.1.3空化的分类 (9)1.1.4空化的影响及溢洪道空蚀的特点 (9)1.1.5减免空蚀的措施 (10)1.2掺气水流 (10)1.2.1掺气现象及其影响[8] (11)1.2.2明渠中掺气水流的结构 (11)1.3掺气减蚀研究[8] (13)1.4掺气减蚀原理和效果 (14)1.4.1掺气减蚀的原理[9] (14)1.4.3工程实践 (15)1.5掺气减蚀设施的类型 (15)1.5.1过流面和侧面掺气的型式 (15)1.5.2工程常用掺气减蚀类型 (15)第二章巴拉工程溢洪道及实验模型 (20)2.1工程概况 (20)2.2巴拉溢洪道特点及实验模型 (20)第三章实验研究 (23)3.1水力特性及挑坎优化 (23)3.1.1巴拉溢洪道水流特性 (23)3.1.2 掺气坎位置确定 (29)3.1.3掺气坎初步体型 (30)3.1.4掺气坎体型优化 (30)3.2优化体型试验结果 (37)3.2.1沿程水深 (37)3.2.2沿程压力 (38)3.2.3 各空腔体型及各空腔竖井对应风速 (39)3.2.4试验数据分析 (39)第四章总结 (41)4.1结论 (41)4.2不足和展望 (42)4.2.1不足 (42)4.2.2展望 (42)参考文献 (43)致谢 (44)第一章绪论高坝泄水建筑物在运行中，无论是明渠还是有压流道，都要因为水流流速较高，而容易产生空蚀破坏，在实际工程实践中就有相当多的这方面例子。
水布垭水利枢纽放空洞突扩跌坎水力学问题研究
１ 概 述
所谓突扩跌坎体 型 ， 即是两边墙壁面 向外使泄槽扩 宽 ， 两侧 出现 突扩弧面 ， 为工作门两侧止水垫座 ； 底部突跌 ， 形成跌坎 ， 为 弧 门底止水垫座 。当工作 门开启 运行 后 ， 突扩边 墙后形 成侧 两 空腔 ， 部跌坎后 形成 底空 腔 ， 出现 ３处 水流掺 气面 ， 底 共 因而工 程上通常称为突扩跌坎掺气体 型。理想 的突扩跌 坎体型掺气状 态是两侧空腔和底空腔均 稳定且 相互贯 通 ， 同时对 边墙 及底 可 板起到掺气减蚀保护作用 。 有压 出口高速水流 ， 在撞 击侧扩边墙形成侧空腔 的同时 ， 也
数相对应的 临界 工作 水头 巩 为 ３ —５ 工作水 头 Ｈ ５ ０ｍ； ｏ＝２ ０ｍ时， 空腔 浅小 ， 空腔基 本 消失 ， 侧 底 水流不能有 效掺 气， 而侧 冲击区有初生状 态的蒸汽型 空化发 生 ， 为安 全计 ， 宜采 用抗蚀 材料对 边墙水流 冲击 予以防护 。分
析评估 了该体型 的抗 空蚀破坏 能力 ， 研究成果 为设计 决策提供 了科学依据 。 关 键 词 ： 空洞 ；工作 门区；突扩跌坎 ；噪声谱级 ；剪切 空化 ； 气浓度 ；水布垭水利枢 纽 放 掺
是 因施 工 控 制 不 严 ， 致 过 流 面不 平 整 度 超 标 而 引 起 ， 的 则 是 导 有
作 门区突扩跌坎 体型参数取值为 ： 跌坎 高度 Ａ ＝ １２ｍ， ． 侧扩宽 ｂ＝０６ｍ， ． 跌坎后 明流洞底 坡 ｉ＝０２ 工作 门区详细体型布置 ．，
见 图 １ 。
因掺气体型布置不 当或其 它原 因致使 供气 不足而 引起 。因此 ， 工作弧门区突扩跌坎 掺气体 型参数 ， 除应满 足闸 门止 水布 置要
掺气坎射流出射角的修正方法
作 者 简 介 ： 法 星 ， ， 士 ， 究 方 向 为 工 程 水 力 学。 Ｅ— ｉ ｚｆ＠ ｓｕ ｅｕ ｅ 张 男 博 研 ｍａ ： ｘ ｃ ．ｄ ．ｎ ｌｈ
掺 气坎 射 流 出射 角 的修 正 方 法
张 法 星 ， 建 强 ， 建 军 徐 徐
（ 国水 电顾 问集 团 华 东 勘 测 设 计 研 究 院 ， 江 杭 州 ３ ０ １ ） 中 浙 １０ ４
摘 要 ： 气 坎 后 射 流 出射 角 受到 来流 水深 和 射 流 紊 动 扩 散 的 影 响 ， 等 于 挑 坎 的挑 角 ， 算 掺 气 空 腔 长度 时 ， 掺 不 计
腔长度 的计 算值 与 试验 值 有 较 大 差 距 ， 研 究 者对 流 有
速 进行 修 正 ， 是 修 正 的依 据 并 不 充 分 。最 近 ， 但 吴 建 华赋 予水 深和 横 向脉动 流速 对 出射 角的影 响 以不 同 的权重 ， 研究 出射 角 对 空 腔 长 度 影 响 ， 现 当考 来 发 虑水 深 影响后 修 正 的出射 角权 重 取 ０ ４ ， 考虑 横 向 ．８ 而 脉 动流 速影 响后修 正 出射 角 的权 重取 ０ ５ ．２时 ， 算 空 计 腔长 度 与试 验 测 量 值 、 型 观 测 值 的 相 对 差 值 最 小 。 原 但是 ， 果没有 挑 坎 ， 认 为 水 深对 出射 角 没 有影 响 ， 如 可
计 算法 ， 比如 有 限 元 法 、 流 边 界 积 分 方 程 数 值 求 势
解 ； 微 元 受 力 平 衡 法 。在 计 算 掺 气 空 腔 长 度 ④
时 ， 了采用数 值计 算方 法外 ， 除 采用 其 它方法 时都 需要
CO2水气交替驱防腐技术研究
CO2水气交替驱防腐技术研究随着现代工业的快速发展，大量的工业用水被消耗，造成了粮食、饮用水等资源的匮乏。
因此，水资源的保护和利用也成为了当下亟待解决的问题之一。
在这种背景下， CO2水气交替驱防腐技术被提出。
CO2水气交替驱防腐技术是一种将 CO2气体注入到水中的方法，来改变水的化学性质，以避免水垢和腐蚀的发生。
CO2气体能使水中的 pH 值下降，从而降低水的碱性，以达到防止水垢生成的目的。
此外，CO2气体还会与水中的氧气反应，生成二氧化碳和水的同时消耗氧气，这也有效地减少了腐蚀的发生。
CO2水气交替驱防腐技术的实施过程可以简单地分为三个阶段。
首先，将 CO2 气体注入到水中，降低水的碱性。
其次，让水中的 CO2 充分反应，生成二氧化碳和水。
最后，将 CO2 气体再次注入，让 pH 值下降，循环反复，达到驱防腐的效果。
CO2水气交替驱防腐技术对于工业生产具有非常广泛的应用前景。
首先，它可以有效地防止水垢的产生，降低了设备的维修和更换成本。
其次，它还可以有效地防止发生腐蚀现象，延长了设备的使用寿命。
最后，它所消耗的 CO2气体可以重新用于其他产业，可以说是一种非常低成本和环保的技术。
目前，CO2水气交替驱防腐技术已经在一些工业企业得到了广泛应用，但同时也存在一些问题和挑战。
例如，对于 CO2气体的储存、输送和使用都需要一定的技术支持和设施投入。
此外，对于 CO2水气交替驱防腐技术的调控和优化也需要更多的实践和研究。
总之， CO2水气交替驱防腐技术是一种有着广阔应用前景的新型技术，对于保护和利用水资源，降低设备维修和更换成本，延长设备使用寿命等方面都有重要作用。
同时也需要我们不断深化研究，提高技术水平，以更好地发挥它的作用。
CO2水气交替驱防腐技术研究
CO2水气交替驱防腐技术研究CO2水气交替驱防腐技术是一种用于防腐蚀的新技术，它利用CO2和水的交替注入来形成一层保护性的腐蚀层。
本文将对CO2水气交替驱防腐技术进行研究和分析。
CO2水气交替驱防腐技术的原理是利用CO2和水的不同性质，在交替注入过程中形成一层稳定的腐蚀层，从而防止金属表面的腐蚀。
在注入CO2时，CO2能够形成一层碳酸盐层，起到防腐蚀的作用。
而在注入水时，水能够形成一层氧化层，也能够对金属进行防腐蚀。
通过不断地交替注入CO2和水，可以形成一层稳定的腐蚀层，从而达到防腐蚀的效果。
CO2水气交替驱防腐技术的优势在于它是一种无毒、无污染的防腐蚀技术。
与传统的防腐蚀技术相比，它不需要使用任何化学药品，从而避免了对环境的污染。
CO2和水是非常常见的物质，在使用过程中也是非常安全的。
该技术还具有经济性和持久性的优势。
由于CO2和水都是非常便宜和易得到的物质，因此在实际应用中能够降低成本。
腐蚀层的形成是一个持续的过程，可以长时间地保护金属表面。
CO2水气交替驱防腐技术也存在一些挑战和局限性。
该技术对环境的要求较高。
CO2和水的注入需要一定的工艺条件，包括温度、压力、流速等。
在使用过程中需要对这些条件进行严格控制，以确保腐蚀层的形成。
腐蚀层的稳定性也是一个问题。
虽然腐蚀层在交替注入过程中能够形成，但是在实际应用中，由于外界环境的变化，腐蚀层的稳定性可能会受到一定的影响。
在实际应用中需要对腐蚀层进行定期检测和维护。
CO2水气交替驱防腐技术是一种新型的防腐蚀技术，具有无毒、无污染、经济性和持久性等优势。
该技术仍然面临一些挑战和局限性，包括对环境的要求较高和腐蚀层的稳定性问题。
在实际应用中需要继续进行研究和改进，以提高该技术的效果和可靠性。
明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
2010 年 3 月 9350 （ 2010 ） 03034305 文章编号：0559-
利
SHUILI
学
XUEBAO
报
第 41 卷 第3 期
明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
张法星， 许唯临， 朱雅琴
（ 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点试验室， 四川 成都 610065 ）
摘要：采用高速摄像技术对陡槽内自掺气水流进行了观测， 拍摄到了掺气起始区气泡在水流内部形成的完整过程， 对气泡形成的过程进行了概化分析 。水面附近涡体运动产生的脉动压强和水面相互作用， 导致水面发生上凸下凹 的变形。当这种变形达到一定程度后， 受顺水流向或横向脉动压力 、 横向切应力的作用， 深入水体凹坑的边壁在某 一部位闭合， 下部包裹空气形成气泡而发生自掺气 。随着紊动强度进一步增大， 水面变形加剧， 表现为高高跃出水 这些水柱的倾倒、 聚并也会造成空气进入水中形成气泡 。 明渠水流自掺气是水体内部紊动 面的柱状突起和水滴， 与水面相互作用的结果 。 关键词：明渠；自掺气；掺气机理；自由面；气泡 中图分类号：TV135. 2 文献标识码：A
0526 收稿日期：2008基金项目：国家自然科学基金委员会、 二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（ 50539060 ） ；国家杰出青年科 学基金（ 50325928 ） mail：zhfx@ scu. edu. cn 作者简介：张法星（ 1979 － ） ， 男， 山东嘉祥人， 博士， 主要从事工程水力学和水动力学研究。E-
［ 14 － 15 ］ 。当水滴与回落到运动水流的水面时 ， 把空气包裹住， 形成气泡， 这一观点已被其他研究者证实 与 ［ 16 ］ ， 。 ， “ ” ， 撞击静止的水面相比 更难包裹空气形成气泡 所以 水滴回落而导致掺气 的观点值得商榷 为弄 ［ 13 ］ ［ 12 ］
局部陡坡跌坎掺气减蚀试验研究
在较低水位时水流能够落在 陡坡段 ，水平段长度
不宜取得太大 ，因此取较小值 ５ ｍ，跌坎高 度不
变 。其剖面图如图 ３所示。
优 化方 案 ２的特点 在于 最大 限度地 利用 了放
对三维掺气坎在小底坡泄洪洞 中的应用，底
板坡度 一般 在 ３ ～６ 之 间 。 白岩 滩 泄 洪 洞 坡 ％ ％
在 高 程 差 不 变 的情 况 下 ，陡坡 段 越 长 ，坡 角 越
界免蚀掺气浓度 等。崔 陇天 综合考虑 了这些
因素的影 响， 并结合模型试 验资料和原型观测得 出的数据 ， 出了计算掺气保护长度的经验公式 ： 推
Ｌ ＝ ５ Ｆ － ）ＯＯ ， ２ Ａ（ ， １ Ｃ￥ ｔ （） １
在本 工程 中 ，泄洪 洞有 压段 出 口底板 高程 为 ６ ８０ ｍ，直坡 段 末 端 底 板 高程 为 ６００ ｍ，而 ５ ．０ ５ ．０
图 ３ 泄洪洞掺气 坎方案 ２剖面
在泄水建筑物 中设置掺气设施后 ， 原来水流 的水力特性发生变化 ， 如单位时间通风量 、 空腔长 度等 ， 空腔长度的大小与掺气坎型式以及坎上来 流速度有直接关系。 ２ ２ 掺气保护长度计算 ． 掺气保护长度与多种 因素相关 ， 如掺气设施 的型式、 几何尺寸 和底部掺气浓度递减率以及 临
洞、 挡水 坝 （ 混凝 土 面板 堆石 坝 ） 和右岸取 水洞 。 本次试 验模 型 按重 力 相 似 准则 设 计 ， 比尺 为
２ 掺气 坎设置
２ １ 局部陡坡掺气坎型式的提出 ． 虽然在掺气减蚀理论方面还存在许 多不完善 的地方 ， 但是对于掺气设施 ，都一致认为应设置 在水流空化数较小、易产生空蚀破坏的部位 。因 此 ，归结掺气减蚀设施的水利设计准则如下¨ ： ］
水流掺气对明流泄洪洞及挑坎水力特性的影响
水流掺气对明流泄洪洞及挑坎水力特性的影响王才欢;侯冬梅;张晖;聂艳华【摘要】水流充分掺气可以避免高流速泄洪设施发生空蚀,但也会改变相关水力特性.通过对某大坝泄洪洞掺气设施水力模型试验及关于水流表面自掺气发生条件的相关分析,提出了在全程流速超过38 m/s,长度达550 m的明流洞内仅布置一级掺气设施的建议,较通常情况减少了两级;并针对泄洪洞出流方向与河道流向交角达60°的特点,研究提出了一种大差动异型鼻坎消能工.水工模型试验成果表明,其挑流水舌沿河道纵向扩散良好,水舌外缘与河道对岸保持了30 m以上的安全距离.该泄洪洞建成后经历了高水头、较长时间的泄洪运行,明流洞和鼻坎消能工均无空蚀发生,但挑坎水舌却冲刷到对岸边坡.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2017(048)023【总页数】6页(P74-78,88)【关键词】明流泄洪洞;水流掺气;异型鼻坎消能工;减阻增速效应;水舌挑距【作者】王才欢;侯冬梅;张晖;聂艳华【作者单位】长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TV653向水流中掺气是高流速泄洪设施减免空蚀破坏最经济、最有效的工程措施之一。
水流掺气分为人工强迫掺气和水流自掺气两种；人工强迫掺气是利用固体边界的突变形成水流掺气空腔，射流水体与壁面碰撞后吸走空腔中大量的空气，其特点是掺气水流仅局限于空腔以下一定范围内，且沿程掺气浓度衰减很快；而水流自掺气是指明流泄槽(或泄洪洞)内流速达到一定程度后，大量空气自水面掺入到水流中，并向水流底部发展的过程，其特点是水流中的平均掺气浓度沿程逐渐增大，并最终形成掺气均匀流。
在高流速、长距离明流泄洪设施内，水流中掺入空气为其减免空蚀破坏带来了益处，是工程师们乐于看到的效果[1-2]。
国家开放大学电大水利水电工程建筑物作业3答案
国家开放大学电大水利水电工程建筑物作业3答案一、单项选择题试题1：( )是在坝趾下游设消力池、消力坎等，促进水流在限定范围内产生水跃，通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击消耗能量。
标准答案1：底流消能试题2：( )是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后，形成强烈的旋滚，大部分能量消耗在水滚的摩擦中。
标准答案2：挑流消能试题3：( )适用于中、低坝或基岩较软弱的河道，高坝采用底流消能需经论证。
标准答案3：底流消能试题4：当空化水流运动到压力较高处，在高压作用下气泡溃灭，伴随有声响和巨大的冲击作用。
当这种作用力超过结构表面材料颗粒的内聚力时，便产生剥离状的破坏，这种破坏现象称为( )。
标准答案4：空蚀试题5：水流在曲面上行进，由于离心力的作用，或水流受不平整表面的影响，在贴近边界处可能产生负压，当水体中的压强减小至饱和蒸汽压强时，便产生( )。
标准答案5：空化试题6：高水头溢流坝为了防止空蚀破坏可以采取以下什么措施？( )。
标准答案6：设置掺气减蚀装置试题7：溢流坝下游反弧段的作用是( )。
标准答案7：使溢流坝面下泄的水流平顺地与下游消能设施相衔接试题8：溢流坝的工作闸门应满足( )。
标准答案8：动水中启闭试题9：溢流坝的检修闸门应能( )。
标准答案9：静水中启闭试题10：过堰水流约转90度后，再经泄槽泄入下游的岸边溢洪道，称为( )。
标准答案10：侧槽式溢洪道二、多项选择题试题11：关于消能工的设计原则，说法正确的有（）。
标准答案11：不产生危及坝体安全的河床冲刷或岸坡局部冲刷; 结构简单，工作可靠; 下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行; 尽量使下泄水流的大部分动能消耗于水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上试题12：拱坝常用的坝顶溢流方式有（）。
标准答案12：鼻坎挑流式; 自由跌流式; 滑雪道式试题13：常用的水闸闸孔形式有（）。
标准答案13：孔口型; 低实用堰; 宽顶堰试题14：常见的底流消能防冲设施有（）。
掺气减蚀
加强运行管理，改善运用条件，防止水流空化。
工程界认为：当水流空化数介于0.3～1.7时，应严格
控制不平整度；当介于0.12～0.3时，要采用掺气设施；
当小于0.12时应修改设计。
溢洪道设计规范规定：当水流流速超过35m/s时，应 设置掺气减蚀设施。
2 掺气减蚀
1937年，Mousson使用文丘里管型空蚀试验装置发现 使水流掺气可减轻空蚀破坏 。
空化（Cavitation）：由于液体系统中的局部低压 （低于相应温度下该液体的饱和蒸气压），使液体内 部剧烈地产生空泡的现象。
空蚀（Cavitation Damage） ：低压区空化的液体 挟带着大量的空泡在流经下游高压区域时，空泡将 发生溃灭。由于空泡在溃灭时产生很大的瞬时压强， 当溃灭发生在固体表面附近时，液体中不断溃灭的 空泡所产生的高压强的反复作用，可破坏固体表面。
1.2空化初生
空化的初生是空泡在极小区域内偶然初次出
现的非稳定状态。
空化初生的主要影响因素是压强和流速。 因此，常采用两个无量纲数作为衡量实际水
流是否会发生空化的判断指标：
水流空化数
和初生空化数 i 。
水流是否发生空化，要视水流空化数 而定，愈小愈易 发生空化。当小到某一数值 i 时即开始发生空化， i 被 称为初生空化数。 i 的大小随边壁条件而异，对于某种 边界轮廓， i是一个固定数值。
2.3 掺气减蚀设施
掺气设施可分为两部分，一部分是使水流形成掺气空 腔的掺气坎，另一部分是向空腔供气的进气系统。
（1）挑坎
（2）跌坎
（3）掺气槽
θ
Δ1
Δ2
（4）坎槽组合
（5）坎跌组合
（6）坎跌槽组合
θ
掺气减蚀设施空腔回水问题的试验研究
２ ８ ３９
深度 ｄ与水流 佛 氏数 的关 系 （ ２ 。 图 ）
为 了考察 空 腔 积水 深 度 与 水 流 佛 氏数 的 关 系 ， 图 ２绘 出 了当空 腔 末 端射 流 冲击 角 ０一 定 时 ， 腔 空
积水 深 度 ｄ与水 流佛 氏数 Ｅ 之 间 的关 系 ， 中 ， 、 ｒ 其 左
⑥
２０ Ｓｉ ｅｈ Ｅ ｇ ｇ ０ ６ ｃ．Ｔ ｃ ． ｎｎ ．
水 利 技 术
掺 气 减 蚀 设 施 空 腔 回 水 问题 的试 验 研 究
张立恒 许 唯 一 临
（ 四川大学 水力学与山区河流开发保护 国家重点 实验室 ， 成都 ６ ０６ ； １０ ５
ｈ ｙ９８ ０１ ＠ ｙ ｈ ｏ ｃ ｒ ｅ ｉ ０１ １ ａｏ．ｏ ｎ
响掺气 减蚀 设施 掺 气 量 的最 重 要 的因 素 ， 以研 究 所 掺 气坎后 空腔 的水 力 特性 ， 其 是关 于如 何 避 免 空 尤 腔 回水 影 响的 问题 具 有十 分重 要 的工程 价值 。
水， 但其 研 究 是 针 对 具 体 的 工 程 模 型进 行 一 步 的 更 为 系 统 的 因 有
２０ ０６年 １月 ２ 日收 到 ２ 国 家 自然科 学基 金 （０ ３０ ４ 国 家 ５ ５９ ６ ） 杰 出 青 年 科 学 基 金 （ ０ ２９ ８ 资 助 ５ ３５ ２ ）
维普资讯
１ ５期
张立恒 ， ： 等 掺气减蚀设施 空腔回水问题 的试验研究
关键词
掺气坎
回水
冲击角 文献标识码 Ｂ
中图法分类号
Ｔ ３ ．４ Ｖ１１３ ；
在 高 速 过 流 的泄 水 建 筑 物 过 流 面 上 设 置 掺 气
设 施 ， 使 水 流 掺 气 ， 减 免 过 流建 筑 物 可 能 发 生 促 以
溢洪道设计计算说明
岸边溢洪道设计6.3.1溢洪道说明溢洪道其主要任务是泄洪，土石坝不允许水过坝顶，需要专门修建泄洪建筑物。
根据本工程的地形条件，上游坝址左岸沿河流方向有一道呈现弧形的纵向凹槽，所以选择溢洪道设置在大坝左岸，为带胸墙孔口式岸边溢洪道。
溢洪道由引渠段、堰闸段、泄槽段、挑流鼻坎段组成。
6.3.2 溢洪道引水渠为了使水流平缓，减小或不发生漩涡和翻滚现象，进口采用喇叭口，进口宽度B=50m.设计流速4m/s，横断面在岩基上接近矩形，边坡根据稳定要求确定这里选择边坡坡度为1:0.5；采用梯形断面，进水渠的纵断面做成平底。
在靠近溢流堰前断区，由于流速较大，为了防止冲刷和减少水头损失，可采用混泥土护面厚度为0.5m。
6.3.3 控制段控制段包括溢流堰及两侧连接建筑物，溢流堰通常可以选择宽顶堰、实用堰、驼峰堰。
溢流堰的体形应尽量满足增大流量系数，溢流堰作用是控制泄流能力，本次设计采用实用堰，优点是流量大，在相同的泄流条件下需要的堰流前缘长，工程量小。
采用弧形闸门。
初步拟定堰顶高程H=设计洪水位—堰顶最大泄水位H0堰顶高程H=1838=1858.22—H 0，则H 0=20.22m 胸墙式孔口溢流堰形式的下泄流量Q 公式为：320=Q ε溢式中：ε ——闸墩侧收缩系数，0.9； m ——流量系数，0.48:； g ——重力加速度，9.81 2m/s ； B ——堰宽，12m;水位为设计洪水位1858.22m 时，堰顶高程1838m ，设计Q 溢=4645m3/s.则由上面公式计算得出的B=26.69m,取B=14m.表6.3-1溢洪道宽顶堰堰宽计算（忽略流速）计算取b=28m,孔口数2孔，弧形工作闸门取值14x19m(宽x 高)。
中墩厚3m,边墩宽1m,闸室宽度=14x2+3+2x1=33m.堰面曲线的确定开敞式堰面曲线，幂曲线按式（7-2）计算：1n n d x KH y -= （7-2）式中 Hd ——堰面曲线定型设计水头，对于上游堰高P1≥1.33Hd 的高堰，取Hd=(0.75～0.95)Hmax ，对于P1<1.33Hd 的低堰，取Hd=(0.65～0.85)Hmax ，Hmax 为校核流量下的堰上水头.x 、y ——原点下游堰面曲线横、纵坐标； n ——与上游堰坡有关的指数，见表A.1.1；k ——当p1/Hd>1.0 时，k 值见表A.1.1，当P1/Hd ≤1.0 时，取k=2.0～2.2。
浅谈对三峡工程一点认识
水力学相关问题
2. 表孔、深孔、导流底孔的体型研究
三峡工程泄水孔口多，22个表孔、23个深孔、22 个底孔分三层重叠布置，结构复杂。 3. 三峡电站装机容量大，为了多发电，必须尽量改 善进水口体型，以减少水头损失。 4. 三峡泄洪坝段泄量大，表孔、深孔和底孔均采用 挑流消能，泄流时水流紊动激烈，流态十分复杂， 加之导墙两侧水位差的作用，以及导墙顶部泄水 的综合影响，会对导墙的安全及运行构成危协。
动能；把水流排向下游；当转轮的 安装位置高于下游水位时，将此位 能转化为压力能予以回收。对于低
导 水 机 构
水头大流量的水轮机，转轮的出口
动能相对较大，尾水管的回收性能
对水轮机的效率有显著影响
输变电工程 永久船闸的设计 升船机的设计 环境的影响 水文地质的影响
Thank you
报告内容
重庆电力高等专科学校
四、水电站建筑物构成及布置
五、水力学相关问题
五、水力学相关问题
1. 泄水坝段的整体水力学研究 2. 表孔、深孔、导流孔的体型研究 3. 电站进水口研究 4. 厂、坝导墙水弹性力学研究 5. 深孔闸门止水问题
水力学相关问题
1. 泄水坝段的整体水力学研究
整体水力学研究的主要任务是，确定枢纽 总泄洪能力，分析与改善在后期导流提前 发电期间和永久运用期泄洪坝段的下游流 态、消能防冲措施以及运行调度等问题。
三峡电源电站，是保证三峡电站和大坝各种建筑物安全运行的 主供电源和备用保安电源，安装2台单机容量5万千瓦发电机组，年 发电量7.3亿千瓦时，总投资3.7亿元。
地下电站和电源电站的建设，将使三峡电站总装机容量由原设 计的1820万千瓦扩大到2250万千瓦，相当于增加一个半葛洲坝。
N（千瓦）= 8 × Q（流量，立方米/秒）× H（水头，米）
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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/≥=ρσLV 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。
2003年08月 SHUILI XUEBAO 第8期 壁面不平整引起的空蚀破坏作用范围仅仅限于距离壁面数厘米的空间。
在金属构件上，空蚀破坏呈针眼状，这说明破坏是空泡在距离壁面数毫米的空间内溃灭造成的。
掺气坎下游的掺气水流在此空间内大尺寸气泡很少，掺气浓度也很小，但是微小气泡的数量很多，掺气减蚀作用主要依靠小尺寸气泡的保护作用。
(a)(b) 图10 掺气浓度与空蚀破坏的关系 从掺气减蚀机理分析，与掺气保护作用关系最密切的是单位体积内的气泡数量，而不是掺气浓度。
设想每1cm 3有100个气泡可达到掺气减蚀保护作用，若气泡直径为0.2mm ，其掺气浓度仅为0.042%，见表1。
显然气泡尺寸小时，只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀保护作用。
因此以小尺寸气泡的掺气浓度(如气泡尺寸为0.2mm 或0.5mm 以下的掺气浓度)作为判断掺气减蚀作用的指标将更为准确。
4 结 语近年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，原型接近底部的掺气浓度及小尺寸气泡概率比模型大。
初步研究认为单独以掺气浓度作为掺气减蚀保护作用的判断指标不完善。
空蚀破坏作用是空泡在距离壁面数毫米的空间内溃灭造成的，掺气坎下游的掺气水流在此空间内大尺寸气泡很少，掺气浓度也很小，但是微小气泡的数量很多。
与掺气保护作用关系最密切的是单位体积内的气泡数量，而不是掺气浓度，掺气减蚀作用主要依靠小尺寸气泡，可能只要很小的的掺气浓度即可达到掺气减蚀的保护作用。
因此用小尺寸气泡的掺气浓度，如气泡尺寸为0.2mm 或0.5mm 以下的掺气浓度，作为判断掺气减蚀作用的指标将更为准确。
深入认识掺气减蚀的保护作用，确定掺气挑坎的保护长度，制定新的判断掺气减蚀作用的指标，尚需要进行大量的研究工作。
参 考 文 献：［1］ 陈先朴，等.针式掺气流速仪的研制与应用［A ］.第六届全国海事技术研讨会文集［C ］.北京：海洋出版社，2000. ［2］ Russell S O, Sheenan G J.Effect of entrained air on gavitation damage ［J ］.Canadian Journal of Civil Engineering, 1974,1. ［3］ 李文欣，等.鲁布革水电站左岸泄洪洞水力学原型观测［A ］.泄水工程与高速水流论文集［C ］.昆明勘测设计研究院科研所，1994.［4］ Kato H,Meada T, Magaion A.空蚀的机理与模拟［M ］.高速水流译文选集，1983.表1 每1cm 3有100个气泡的掺气浓度气泡直径/mm 0.1 0.2 0.30.4掺气浓度(%) 0.0052 0.042 0.65 5.2。