掺气水流气泡尺寸分布特征的实验研究

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1、http://www.paper.edu.cn1掺气水流气泡尺寸分布特征的实验研究刚立，许唯临，邓军水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（四川大学）（610065）E-mail:xu_wl@sina.com摘要：通过对自掺气水流气泡分布规律的测量，表明：靠近槽底的测点气泡个数分布最大值出现在气泡尺寸小于1mm的范围内，朝水面方向各测点气泡个数分布最大值呈减小趋势，而其对应尺寸则呈现变大趋势；在靠近槽底，个数分布表现得比较集中，而在水面附近气泡个数分布曲线表现得低而平缓；实验条件下，整个断面上的气泡个数分布的最大值大体上出现在尺寸为0.5mm的地方；气泡平均尺寸在槽底处

2、接近于0而朝水面方向迅速增大，且越接近掺气水流的水面，增加速度越快，最终趋于无穷大；气泡总数在掺气发展区内是沿程增加的，当掺气水流发展到一定程度后气泡总数就基本保持不变了；在同一断面上，各测点单位时间内的气泡总数随高度呈现出先增加后减小的趋势。关键词：掺气，气泡，尺寸1.引言[1][2]掺气减蚀是解决空蚀破坏的有效途径。Peterka等的实验表明，当水中掺气浓度达到1-2%时，能大大减轻固壁面的空蚀破坏；当掺气浓度达5-7%时，空蚀破坏完全消失。自60年代以来，不少国家已开始将掺气减蚀应用于工程实践中，我国自1976年首次将掺气减蚀技术应用于冯家山水库泄洪洞以来，至今掺

3、气减蚀设施已有二十多个。研究人员对掺气减蚀的[3]-[8]设施进行了研究。从趋势上看，对水气两相流的研究正在经历从宏观和概括的总量的描述走向微观的细致描述，在对掺气的认识上由掺气断面平均量到一断面上沿水深方向掺气浓度的分布，而今后这一领域将继续发展到对掺气浓度气泡尺寸概率分布的研究。陈先朴等的[9][10][11][12]研究表明，与掺气保护作用关系最密切的是单位体积流体内的气泡数量,而不只是[10][13]掺气浓度。0.2mm或0.5mm以下的微小气泡在掺气减蚀中常起着主要作用，可能只要很小掺气浓度即可达到掺气减蚀的效果。因此,需要研究高速掺气水流中的气泡数量、气泡级

4、配和气泡分布。2.气泡尺寸分布的实验测量用针式掺气浓度流速仪对气泡尺寸的分布进行了测量。测量分W1-W9共9种工况，每种工况下由1#--4#共四个断面构成。测量对气泡尺寸的分辨率达到了0.1mm。2.1概率分布测量过程记录了施测时段内经过测点的气泡的尺寸与分布情况。对一个确定的气泡有一1本课题得到国家自然科学基金（50279022）和高等学校博士学科点专项科研基金资助（20020610017）。1http://www.paper.edu.cn个确定的直径与之对应，这样所有这些单个的气泡集合在一起就构成了该测点的整体的掺气特性。然而，要保证测量有可靠的分辨率，达到0.1m

5、m的分辨率，设水流的流速为10m/s，则需要施测的频率为f=ν/∆d=100k；同时要保证测量过程能各态遍历，就需要有一定的测量时间，在此作者选用10s。如此，可以计算出对一个点做一次测量所记录的数据有∆t×f=10×100k=1M，这些数据记录的便是掺气水流中的水与气的信息，从处理后的数据来看气泡个数在数量级上大概比原始时间序列信号数据少两个量级，而这依然是很庞大的。需对气泡信息归纳、抽象成统计信息，来反映气泡分布的总体的特征。本文中首先按一定的直径间距将气泡划分到不同的区域中，并将直径的间距设为一固定值∆d=0.1mm。2.2几个概率统计量仅对测量值进行离散化，表示

6、在整个分布范围内的分布情况是不够的，还需在此基础上做进一步的综合与概括。对于离散的数组有很多的相关量来表示它们的分布特性，如最大值、平均值、方差、偏度、离散系数等。2.3对各工况下各断面气泡尺寸概率分布图的分析图1和图2分别列出了气泡个数的分布和气泡体积的分布。图中用向左箭头标出的地方代表相应点的最大值；而黑色粗线则将这些最大值按测点处水深的大小依次连起来。由图中可以看到，气泡尺寸的概率分布表现出很强的随机性，对离散化的值连线后呈现出锯齿形不规则的图形；这些不规则的图形表现出了一定的趋势与走向。在靠近槽底的测点其个数最大值出现在小于1mm的范围内，并且概率分布表现得比较

7、集中，而随到底距离的增加个数最大值向尺寸增大的方向发展，概率分布曲线表现得低而平缓。朝着水面的方向个数最大值呈减小趋势，同时其对应尺寸则变大。整个断面上的个数最大值大体上出现在尺寸大概为0.5mm的地方。对于体积所占百分比其最大值在从槽底到水面方向的测点序列中表现出减小趋势，并且在靠近底部附近减小很剧烈，而后开始变平缓。这表明在底部气泡尺寸的分布很集中，而往水面则分布变分散。3.气泡最值分布3.1各测点出现概率最大的气泡尺寸区间将气泡尺寸按0.1mm的间隔划分为许多小的区间，对各个断面沿水深方向上每个测点中单个区间气泡数的最大值及其区间的