《三維全斷面摻氣水流特性研究》是依託四川大學，由張建民擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：三維全斷面摻氣水流特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張建民
- 依託單位：四川大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高水頭、大流量泄洪洞反弧段和突擴突跌摻氣設施下游側牆發生空蝕破壞的工程實例屢見不鮮。本項目擬採用模型試驗、理論分析計算擬相結合的研究方法，引入氣泡浮力效應和水- - 氣界面紊動強度效應，建立能夠全面準確反映水流摻氣機理的動力學模型。重點測試摻氣水流擴散規律、空腔形態、壁面壓力和摻氣濃度分布規律；分析邊牆折流器與底摻氣坎的體型變化對側、底摻氣空腔形態和長度的影響；定量刻畫底、側摻氣空腔受兩種效應作用的動力學機制；了解側空腔水流摻氣濃度遠低於底空腔的內在原因；掌握摻氣濃度沿程衰減規律，為摻氣保護長度提供科學實驗依據；利用50m/s量級高速射流裝置和大型變坡陡槽獲得10m/s-50m/s高速水流，著重研究水流摻氣與擴散過程中的氣泡浮力效應和水-氣界面紊動強度對摻氣的貢獻率；探尋三維全斷面摻氣水流可能存在的速度比尺效應；提出合理準確預測原型工程的模型相似率及換算公式。研究具有重要的理論意義和現實價值。
結題摘要
針對高水頭、大流量泄洪洞全斷面三維摻氣過程的動力學機制存在的差異性等基礎性課題開展了系統深入的研究，分析了摻氣設施水力學特性及其變化規律以及底摻氣和側摻氣過程中摻氣效果產生明顯差異的內在原因，提出了改善摻氣效果的水力學條件及其體型最佳化方法；初步揭示了摻氣設施水力參數的相似率及其縮尺影響；為高水頭大流量泄洪洞摻氣減蝕技術進步和設計最佳化提供了理論支撐和實驗依據。成果包括： 提出氣泡浮力——界面紊動耦合效應及其對摻氣的作用；基於紊動擴散理論分析得出了三維全斷面摻氣界面摻混形態及摻氣濃度分布計算公式；獲得了全斷面摻氣水流空腔區的摻氣層厚度沿程擴散率規律；揭示了空腔區的表面、底部和側面摻氣層厚度範圍內的斷面流速分布規律；揭示了三維全斷面摻氣水流空腔區摻氣層內氣泡數量和尺寸分布均具有自相似性；揭示了空腔區摻氣水流巨觀摻氣濃度與細觀摻氣泡數量頻率及尺寸之間的關係。 主要研究進展包括：1）得到了突擴突跌弧形閘後水流流態、摻氣空腔、壁面壓力、水流空化數等水力特性，提出了弧形閘門局開時計算空腔長度的改進公式和體型最佳化方法。2）揭示了反弧段增設側摻氣設施能夠形成全斷面摻氣，消除邊牆的清水區的動力學機制，最佳化體型對側牆和底板均能起到很好的保護作用。3）高速泄水建築物的邊牆側擴易誘發空化空蝕，高水頭泄洪洞採用側擴體型應儘可能地減小擴散角，並且避免閘門局開運行。4）曲線階梯底板水平面壓強沿步長方向呈倒“S”曲線分布，底板豎直面呈“C”字型分布。5）提出水——氣界面紊動作用和氣泡浮力作用機制；分析了三維摻氣條件下兩種作用演化過程； 6）揭示了空腔區摻氣水流巨觀摻氣濃度與細觀摻氣泡數量頻率及尺寸之間的關係。上述研究成果為水利水電工程泄水建築物摻氣減蝕設計最佳化提供了科學依據。本項目完成情況如下： 1）完成了4冊研究進展報告（3冊年度進展報告、1冊研究總報告）。2）發表學術論文12篇（均已標註），其中8篇SCI收錄論文、3篇EI收錄論文。3）培養博士研究生2名（1人已畢業）、碩士研究生3名（2人已畢業）。4）培養中青年科研骨幹1名。
