水流紊動流速作用下過渡區(qū)摻氣濃度分布變化規(guī)律研究

本研究成果包括三方面內(nèi)容：一、應(yīng)用先進的激光測速儀測量了均勻流和設(shè)置摻氣坎后水流的垂向脈動流速強度，得知均勻流垂向脈動流速強度接近水流摩阻流速；摻氣設(shè)施可使此值增加4倍以上然后沿程迅速衰減。對此已總結(jié)出經(jīng)驗性計算公式。二、完成強迫摻氣后摻氣濃度分布沿程變化過程的模擬。以單個氣泡隨機游動過程的模擬為基礎(chǔ)得到挑坎后水流摻氣濃度分布沿程變化過程的解，與小灣和馮家山的實測資料對比，兩者十分接近。研究表明摻氣減蝕有效保護長度遠(yuǎn)大于現(xiàn)行的經(jīng)驗性取值，有明顯經(jīng)濟效益。三、完成自摻氣過渡區(qū)摻氣濃度變化過程模擬。在大量系統(tǒng)試驗基礎(chǔ)上解決了表面氣泡源入氣強度的確定方法。計算與實測資料一致。

通過大量的試驗及理論分析，對有壓出口后緩坡明渠表面自摻氣的發(fā)生、發(fā)展過程進行了詳細(xì)的測量，揭示了水流自由面在紊動作用下的形態(tài)演變及卷吸摻氣過程，揭示了自摻氣發(fā)展區(qū)的發(fā)展規(guī)律及其與渠道坡度，水流速度，水深之間的關(guān)系，揭示了摻氣發(fā)展區(qū)內(nèi)摻氣濃度分布及沿程變化規(guī)律，研究了氣泡尺寸及其概率分布在摻氣發(fā)展區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，揭示了細(xì)觀水氣結(jié)構(gòu)特性與宏觀摻氣濃度之間的關(guān)系，并且建立了自摻氣發(fā)展過程的預(yù)測方法，計算結(jié)果與試驗及原型測量結(jié)果吻合良好。上述研究成果為水氣二相流的研究開拓了新的方向，有助于加深對自摻氣形成及發(fā)展變化規(guī)律的認(rèn)識，也可為有壓出口接高速明流泄洪洞的工程設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

利用高速攝影儀，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合針式摻氣儀，通過系列緩坡明渠摻氣發(fā)展區(qū)水力特性模型試驗，對有壓出口后緩坡明渠表面自摻氣的發(fā)生、發(fā)展過程進行詳細(xì)的測量；研究自摻氣發(fā)生點位置及其計算方法；揭示摻氣發(fā)展區(qū)的發(fā)展規(guī)律及其與渠道坡度、水流速度之間的關(guān)系；揭示摻氣發(fā)展區(qū)的摻氣濃度分布及其沿程變化規(guī)律，以及摻氣濃度的沿程變化與渠道坡度、水流速度之間的關(guān)系；研究摻氣發(fā)展區(qū)水流速度的沿程變化及摻氣對水流速度分布的影響；研究氣泡尺寸及其概率分布在摻氣發(fā)展區(qū)的變化規(guī)律；通過對比研究不同水流速度情況下氣泡特性的差異，探索研究氣泡尺寸的比尺效應(yīng)；通過對比研究不同情況下?lián)綒鉂舛燃捌浞植嫉牟町悺馀輸U散速度的差異、氣泡尺寸大小及其概率分布的差異等，研究表面自摻氣模型試驗的比尺效應(yīng)。開展自摻氣水流摻氣發(fā)展區(qū)的基礎(chǔ)研究，為水氣二相流的研究開拓新的方向，并為有壓出口接高速明流泄洪洞的工程設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

自由紊動射流可以分為兩個區(qū)三個段。

從速度分布來看可分為核心區(qū)和邊界層（又稱混合區(qū)）：由噴口邊界起向內(nèi)、外擴展的紊動摻混部分為紊流剪切層混合區(qū)；未受到摻混影響，保持原理啊出口流速的中心部分為核心區(qū)。

從紊動發(fā)展情況來看可分為初始段、主體段和過渡段。其中從出口到核心區(qū)末端為射流的初始段；紊流充分發(fā)展以后的部分為主體段；主體段與起始段之間為過渡段。過渡段很短，在分析中為簡化起見，一般不予考慮。

實驗表明：在自由紊動射流起始段的混合區(qū)和主體段內(nèi)，縱向流速分布有明顯的相似性，也稱自保性；射流邊界的擴展是線性的，主體段的擴展率略大于起始端。