明槽反弧段底部掺气坎水流特性试验研究

论文摘要

在水利工程中,泄水建筑物的体型往往比较复杂,泄槽底坡除了直坡段外,还会大量碰到如反弧段等曲线段泄洪。而目前研究反弧段减蚀问题的机理、对反弧段曲线优化、对掺气坎体型优化的目的都是利用水流掺气减免空蚀破坏。掺气减蚀必须使水流达到一定的掺气浓度,而水流的掺气浓度又与过流边界条件：掺气坎水流流态、掺气空腔特性、进气量等因素密切相关,因此研究反弧段等复杂边界条件下掺气坎的水流特性及其影响因素就显得非常重要。这对进一步深入认识该种复杂边界条件下掺气减蚀的机理和规律,为高坝工程的设计提供更加可靠的理论依据,为掺气减蚀研究拓宽新的领域。本文主要通过设有反弧段明槽的水力学模型试验,来研究反弧半径、掺气坎体型及尺寸对落在反弧段上水流掺气减蚀效果的影响,并分析和探讨影响空腔长度和空腔回水深度的因素。试验中采用了九种挑坎、三种反弧半径及八级流量。空腔长度是检验掺气效果的重要指标。试验结果表明,当水槽底坡不变时,空腔长度随着流量、反弧半径、挑坎高度及挑坎坡度的增大而增大；当挑坎坡度达到一定值时,空腔长度不但不会增大反而会减小。对于同一种反弧半径、挑坎高度或挑坎坡度,随着佛氏数的增大,空腔长度的变化并不是单向性的,呈现“S”型的变化特点。利用掺气坎射流的微分方程,结合模型试验实测结果对明槽反弧段底部挑坎式掺气坎掺气空腔内的压强进行了计算,分析了流量、反弧半径等因素对掺气空腔内压强的影响,揭示出反弧段复杂边界条件下掺气空腔内压强随下泄流量的增大而降低,且当流量低于某临界值后掺气空腔的负压将基本消失；随反弧半径的增大而升高,但反弧半径继续增大到一定程度后其对空腔压强的影响将减弱的基本规律。为保证反弧段上的掺气空腔有足够的长度并保持良好的负压,以利于水流能够充分掺气,获得好的掺气减蚀效果,需要有适中的反弧半径。掺气空腔回水不仅影响水流掺气,而且关系到空腔的稳定性。试验结果表明,反弧半径越小,其水舌的冲击角就会越大,对空腔回水的影响越明显；随着流量、挑坎高度及挑坎坡度的增大,空腔回水深度也随之增大,当挑坎坡度达到一定值时,空腔回水深度将不会增大；随着佛氏数的增大,空腔回水深度的变化并不是单向性的。研究分析了通气孔面积对空腔长度的影响。试验结果表明,通气孔大小对空腔长度的影响明显,在其他条件不变时,通气孔的面积越大,形成的空腔长度就越长,但当通气孔的面积大于一定数值后,空腔长度将不再增加。因此在工程中,必须保证合适的通气孔面积,以形成良好的掺气空腔,有效地完成掺气减蚀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空化空蚀与掺气减蚀
• 1.2.1 空化空蚀
• 1.2.2 掺气减蚀
• 1.3 掺气减蚀设施
• 1.3.1 掺气减蚀设施的工作原理
• 1.3.2 掺气减蚀设施的类型
• 1.3.3 掺气减蚀设施的研究现状
• 1.4 反弧段的掺气减蚀
• 1.5 本文研究课题来源及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 试验研究
• 2.1 试验装置
• 2.1.1 掺气设施体型的选型
• 2.1.2 掺气设施的布置
• 2.2 试验条件
• 2.2.1 掺气坎体型
• 2.2.2 反弧段的反弧半径
• 2.2.3 通气孔
• 2.2.4 来流水力条件
• 2.3 试验工况
• 2.3.1 空腔长度及回水的试验工况
• 2.3.2 通气孔面积的试验工况
• 2.4 本章小结
• 第三章 空腔长度及其影响因素的关系
• 3.1 空腔长度的计算方法
• 3.1.1 抛射体公式
• 3.1.2 因次分析经验公式
• 3.1.3 微元法
• 3.2 挑坎下游为直段时空腔长度的试验研究
• 3.3 挑坎下游为反弧段时空腔形状的试验研究
• 3.3.1 空腔形状与反弧半径的关系
• 3.3.2 空腔长度与挑坎高度的关系
• 3.3.3 空腔长度与挑坎坡度的关系
• 3.3.4 空腔长度与佛氏数的关系
• 3.4 经验公式的建立
• 3.5 泄槽反弧段底部掺气空腔的压强研究
• 3.5.1 计算方法
• 3.5.2 试验方案
• 3.5.3 试验结果及掺气空腔压强计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 空腔回水及其影响因素的关系
• 4.1 挑坎下游为直段时空腔回水的试验研究
• 4.2 挑坎下游为反弧段时空腔回水的试验研究
• 4.2.1 空腔回水与反弧半径的关系
• 4.2.2 空腔回水与挑坎高度的关系
• 4.2.3 空腔回水与挑坎坡度的关系
• 4.2.4 空腔回水与佛氏数的关系
• 4.2.5 空腔回水与射流水舌冲击角的关系
• 4.3 本章小结
• 第五章 通气孔面积对空腔长度的影响
• 5.1 试验结果及分析
• 5.1.1 不同反弧半径时空腔长度随通气孔面积的变化规律
• 5.1.2 不同流量时空腔长度随通气孔面积的变化规律
• 5.1.3 不同挑坎高度时空腔长度随通气孔面积的变化规律
• 5.1.4 不同挑坎坡度时空腔长度随通气孔面积的变化规律
• 5.2 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录