水流摻氣

由於水流湍急、紊動劇烈而挾入空氣的過程。水流摻氣是多相流體力學中的一個重要研究課題,涉及兩相的壓強、速度、氣泡尺寸分布及紊流擴散等多方面的問題。

類型

分為自然摻氣、強迫摻氣和人工摻氣3類:①自然摻氣,指摻入空氣的主要原因來自水流本身的紊動,如明槽水流的紊流邊界層發展到達水面,拋射水舌表面波失穩時產生的摻氣現象。②強迫摻氣,發生在水流呈急變流時,如水躍的漩滾區、門槽等邊界突變且具有自由水面的部位、兩股水流撞擊區等。③人工摻氣,指利用工程設施使空氣進入水流中的局部負壓區而形成摻氣水流,以達到減免空蝕的目的。

對工程的影響

在水利工程中,摻氣水流常發生在溢洪道、陡槽、無壓隧洞、射流、急流與緩流銜接段等處。水流摻氣後的混合水深大於未摻氣時的水深,為此要增加邊牆高度。在明流泄水管道內,由於摻氣使水面升高,構成明滿流轉換或急流封頂時,會導致嚴重振動或釀成事故。有時,由於空氣集結會形成氣彈狀流態(氣囊),在管道進口或出口發生爆發性噴水,易造成工程事故。另一方面,將水流拋射至空氣中加大水流的摻氣量,有利於消散能量;向可能發生空化空蝕的區域內採用人工通氣可減免空蝕。

機理

主要有兩種不同的假說:

1認為水流質點的紊動強度足以克服水流表面張力時,水面垂向脈動流速分量使水滴由水面拋出,在水面上形成坑穴,在坑穴閉合時挾入空氣;

2認為自由水面波與空氣介質相互作用而破碎時使空氣捲入。實際觀測說明,水面坑穴的閉合和破碎兩種原因都存在。波的破碎在流速3~4 m/s時即可發生,隨流速的增加,挾氣現象更趨明顯,在7 m/s以上流速時,水滴躍入空氣的量增多,挾氣量相應增大。根據水力要素是否隨時間而變化,可分為恆定與非恆定摻氣水流。非恆定摻氣水流常成為振動源。

分區

沿水深可劃分為4區:清水區、水中含氣區、水體躍移區和氣中含水區。自然摻氣水流沿程可劃分為未摻氣的清水區、含氣量沿程增加的非均勻摻氣水流區。

摻氣初生準則

判斷水流開始摻氣的臨界條件的依據。影響摻氣過程的因素很多,如水流的脈動強度、自由表面上微波破碎時的水流流速、作用於摻入水中的氣泡和空氣中水滴的重力、阻止自由水面破裂的表面張力及氣泡在水中的上浮速度等。對摻氣初生準則現主要藉助試驗加以判斷。

相關研究

研究水流摻氣常用原型觀測、物理模型、數學模型等方法。研究設備常用固定陡槽、活動陡槽和邊界條件規則的現場陡槽。在中國梅山水庫連拱壩下遊興建的高速水流試驗室中有一長34.2米、寬0.6米、高0.4米的大型轉鉸式活動陡槽,是當前最大的活動陡槽之一。

水流摻氣濃度量測可用取樣法、電阻法、探針計數法和放射性同位素等方法。

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