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期水动力学研究与进展. ....
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辑坞挑坎掺气槽过流空腔区
/ 掺气特性的研究
,
、杨鑫
、—————一————~
清华大学水电工程系,北京
摘要本文探讨了挑坎掺气槽过流空腔区的掺气特性。对掺气机理、临界掺气条件、气泡上浮特
性、紊动扩散系数、断面含气浓度分布和通气量进行了较详细的理论分析。主要结果得到实测资料的验
,掺气特性,空蚀破坏水卜∥:;
现象分析
挑坎掺气槽体型较为简单,作为一种减蚀措施已在水工上得到广泛应用,它的掺气特性如何
是人们十分关注的。前人对这一问题曾进行过较广泛的探讨,但迄今为止,研究仍多限于实验方
面。提高其理论预测能力,将十分必要。
如图所示的掺气槽过流,可将整个流动划分为来流区、空腔区和浓度耗散区。其中空腔区
图掺气槽过流示意
是实现射流掺气的区域。试验观测表明,空腔区的掺气是通过两种机理实现的:气水界面处的紊
动交换作用和射流冲击底板时的局部掺气作用。就气水界面处的紊动交换作用而言,水舌自挑坎
边缘点处脱离边壁后,由于水舌下表面处的紊动作用的增强,水舌表面逐渐变得粗糙不平、甚
至破碎。由于表面不平整,在不平整间隙之间存在挟气,由于紊动和表面张力的作用,使得部份
气团成为气泡,这些气泡在紊动的作用下深入水体,从而实现掺气。这种掺气便是由气水界面处
的紊动交换作用所实现的掺气。如果定义气水界面为含气浓度为的等浓度线,很显然,描述
这种掺气机理下的掺气量的特征参量为空腔长度表征气水界面的长度和射流流速表征水舌
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水动力学研究与进展年第期
脉动特征和挟气能力。由于射流长度是描述掺气量的特征参量,因而可定义这种掺气为长程掺
气。
对于掺气槽过流的另一机理,即射流冲击底板时的掺气,发生在冲击区的局部范围内,是一
种与冲击点处局部紊动强度密切相关的局部掺气现象,气泡的掺入机理可形象地用图所示的示
意图来说明,即水舌气水界面不平整间隙间的挟气,一部份由于紊动交换作用掺入水体,实现气
水界面紊动交换作用掺气,另一部份则继续存在于水舌表面不平整间隙之间,而在冲击点附近的
局部区域内掺入水体。由于冲击点附近存在旋辊,因而部份掺入水体中的气泡还会被旋辊带回空
腔。可见,冲击点区域的掺气量与水舌的不平整度和射流速度有关,而且可能还与旋辊特征
及射流的入射角度有关。
上面的分析表明,掺气槽的过流掺气存在两种掺气机理的作用。但就目前掺气槽的设计水平
而言,可以使旋辊很小,这样旋辊的掺气和逸气作用均较小,从而射流水舌气水界面的紊动交换
作用掺气占主要部份。因而本文的分析将重点对射流紊动交换作用掺气进行。
临界掺气条件
对于空腔区射流水舌的临界掺气条件,一种理想他的模式可表述为水舌表面附近涡体的脉
动导致水舌表面的凹曲率达到一定程度时,便会发生掺气⋯,如图所示。运用功能平衡原理,这
一掺气的临界条件可表示为,涡体的横向脉动动能大于形成气泡过程中表面张力和压力做功,即
≥
气泡气泡形成区
气水界面气水界面紊动交换掺气
冲击射
流搐气
水点水点形成区
图冲击射流掺气图气泡形成过程
式中, 为涡体的