水工建筑物中掺气减蚀的研究.pdf

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1、２０１５年第６期（总第１５９期）江西建材水利工程水工建筑物中掺气减蚀的研究■储威威■中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，湖北武汉４３０２２３摘要：随着高水头泄水建筑物的增多，高速水流引起的空蚀破坏问题日益受到缩的水气两相流，这种保持一定掺气浓度值的水气两相流具有较大的关注。在泄水建筑物过流面上增加掺气设施以减少或避免空蚀破坏，已压缩性，水流空化数相应提高，可在一定范围内减轻或避免空泡溃灭时经成为目前较为通用的工程减蚀措施。本文回顾了空蚀破坏的机理，重产生的破坏。点介绍了掺气减蚀的概念及工程措施、研究方法，对水工建筑物中掺气２．２掺气减蚀的工程措施

2、减蚀的研究进行了系统的综述，希望能为掺气减蚀研究提供一定的借由于掺气减蚀设施技术在工程形式上施工简单，又具有很好的减鉴。蚀效果，加之相对成本低，很多水利工程都采用这种设施，水工设计手关键词：高速水流空蚀破坏掺气减蚀数值模拟册中规定：当空化数Ｋ值小于０．１－０．３时，设计就必须考虑空化问题。掺气减蚀设施的工程形式多种多样，常见的形式包括有挑坎、跌目前，在我国的大坝建设中出现了很多高坝，大流量、高水头泄洪坎、掺气槽以及它们之间的组合等，当高速水流经过这些突变处便形成建筑物也相应增多。高水头泄水建筑物的过流面常常发生空蚀破坏，射流，并且产生稳定的空腔，由

3、于空腔与外界相通，因为水流的剧烈紊这不但直接影响水工建筑物的运行，严重时更会导致工程失事。研究乱，水流中会掺入空气，在下游近壁水层强迫掺气，就对下游一段范围者开始积极探索防止空蚀破坏的措施，根据空蚀破坏产生的原因，总结内起到减蚀保护作用。主要的技术措施有：加强对于边界体型的规划设计，有效控制初生空化２．３掺气减蚀的研究方法数；适当地提高局部压强；改善施工质量，重点提升水流流经表面的平所有的高速水力学问题，由于其复杂性，基本都是通过理论研究、整化；掺气减蚀；提高边界的物理抗破坏能力，合理选用材料；改善运行试验研究、数值模拟三种途径进行研究的。工况条件

4、。在以上阐述的技术措施中，掺气减蚀的方法是最有效的而［１－２］理论研究是先分析找出流体运动规律，提出各种简化流动模型，再且也是最经济的，在国内外的实际工程中得到了广泛应用。建立控制方程，给定假设条件，推导和运算出解析解。目前，在解决实掺气减蚀的研究方向分别是实际应用研究和掺气机理研究两个方际问题时，特别是在初设阶段，应用最多还是理论研究方法。但是理论面。实际应用方面指的是与具体工程结合，重点研究掺气设施的布置［４］研究法也有很多无法解决的问题，例如以非线性为主的流动现象。及建筑体型优化、减蚀的具体方法及减蚀效果等；掺气机理方面指的是试验研究可分为两

5、种，一种是模型试验，就是建立起一定比例的模研究空化空蚀的产生、掺气水流的产生等。在掺气减蚀工程措施的设型，在模型上进行试验，因比例的变小会产生缩尺效应等问题，所以模计过程中，主要还是依赖模型试验结果及工程经验而没有可靠的设计型试验只能定性的解决一些主要特性的问题，模型试验的结果与原型准则，所以掺气减蚀问题的研究还有待进一步深入。结果还存在一定的差距；另一种是原型观测，虽然在数据成果质量相对１空化空蚀较好，但是试验中会受到各种自身条件以及量测技术的制约，这两种试１．１空化与空蚀［５］验研究方式的成本都很高。１９世纪３０年代，由于巴拿马麦登坝的泄水建筑

6、物发生严重的空蚀数值模拟方法则弥补了试验研究的缺点，在低耗时、低花费情况下破坏，才使得空化空蚀问题的研究逐渐成为流体力学的一项重要课题。给出比模型试验更详细的流场内部流动细节，并且只要数值模拟的模空化是包含液相和气相的两相流现象，空化现象是水流在一定的型建立、控制方程、边界条件和数值计算方法正确，则可以较快地给出温度条件下，当压强降低至饱和蒸汽压强时，水流内部的微小气核可以流场的计算结果，摆脱了试验客观条件的约束。ＣＦＤ（计算流体动力发生汽化进而发育成，所以产生空化的区域出现充满蒸汽和空气的空学）技术既突破了模型试验研究的制约，还因其利用计算机强大

7、的运算穴、空洞或空腔的现象。水流内部这种动过程包含液体内部气泡的初能力可以解决理论分析中的问题，所以计算流体力学ＣＦＤ推动了流体生到发育再到空泡溃灭，当局部压强升高时，如果这种空气气泡在距离力学的快速发展。数值模拟的方法也越来越多的应用在掺气水流的研边界附近发生溃灭，历时非常短，但产生反复的冲击力作用于边界，当究之中。这种冲击作用大于边界材料抗破坏能力时即产生破坏，称为空蚀现象。３结语所以说空蚀是结果，是空化破坏能力和边壁材料抗空蚀强度综合［３］目前，对于掺气减蚀的研究，在掺气机理研究和实际应用研究两个的结果；空化是过程，空蚀是由空化引起的。对于空

8、蚀机理的认识，方面都还有很多问题没有解决。第一，掺气减蚀设施是工程实践在前，上个世纪五十年代之前，人们主要认为是空泡溃灭所