掺气减蚀

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。
掺气坎等形成的强迫掺气机理 ：
2.2 掺气减蚀机理
掺气降低水中声速，削减固壁面上的空化荷载。空泡 溃灭压强与介质中的声速成正比，而介质的声速随掺 气浓度的增加而迅速降低，当掺气浓度达到3％时， 近壁空泡溃灭压强约缩小到1/60。
掺气增加水流含气量，提高水流空化数。 掺气改变近壁泡的溃灭过程，减小固壁受力。近壁层 的液体掺气后就象在固壁表面盖了一层刚性很小的可 变形层，它对溃灭空泡有排斥作用，使其远离固壁， 并使溃灭泡的微射流改变射向。
空化空蚀及减蚀措施
1891年 ——英国驱逐舰“达令号”在作高速试航时， 螺旋桨推进器叶片被剥蚀； 随后——发现水力机械（水泵、水轮机）的叶片上也 有类似于螺旋桨上的剥蚀现象 ； 1935年——巴拿马麦登坝输水道进口发生严重空蚀， 引起了水工建筑物行业的注意 。
1 空化和空蚀概述 1.1空化和空蚀概念
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。
（5） （1）----封闭式 （2）～（5）----开敞式 闸墩
2.4 掺气设施的水力特性指标 空腔长度 射流挟气量
掺气坎的有效保护范围
2.5 比尺效应
物理模型比尺较小，很难满足表面张力、粘性、糙率、 气泡尺寸等方面的相似，模型中难以重演原型掺气水 流的运动规律，从而产生比尺效应。
3 工程实例：二滩一号泄洪洞
p pv 1 2 v 2
当
i时，不发生空化；当 时，有空化发生。 i
1.3空蚀机理
冲击波和微射流理论
1.4 减免空蚀措施
优化过流边界体型，控制过流表面的不平整度， 降低初生空化数。 增强泄水建筑物过流壁面材料的抗空蚀性能。
掺气减蚀，即向可能发生空化的区域掺气，改 变水流的物性，削减作用在固壁面上的空化荷 载，降低空蚀率。
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 。
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
Fra Baidu bibliotek
θ
θ
Δ2 Δ 1
Δ1
Δ3
Δ3 Δ2
Δ1
Δ3
（1） 通气管
（2） 通气槽
（3） 边墙折流器
（4） 边墙突扩
1960年，美国的大古力坝（Grand Goulee Dam）的
坝内泄水孔出口收缩段下游，空蚀破坏修复时设置了
掺气槽 。
1972年，刘家峡右岸泄洪洞运行中产生空蚀破坏，我 国随即开始了掺气减蚀的研究 。 1975年，冯家山水库的泄洪洞为国内第一个采用掺气 减蚀技术的泄洪工程。
2.1 掺气机理
由于掺气过程不同，水气二相流可分为自掺气和强迫 掺气两种。 关于自掺气机理，曾有三种不同的观点：表面波破碎 理论，紊流边界层发展理论，及紊动强度理论。 1990年，吴持恭提成涡体理论。