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小底坡低佛氏数下掺气坎的水力特性研究

沈春颖  
【摘要】:本文对高中水头泄水建筑物的空化空蚀现象作了简单的介绍,对空蚀破坏机理及掺气减蚀机理进行了归纳。对掺气减蚀设施的类型、工作原理和运用进行了较为全面的总结。通过实验室变坡水槽进行小底坡、低佛氏数下掺气挑坎的水流模型试验,系统地研究挑坎水流的水力特性,并分析和探讨影响空腔长度和空腔回水深度的因素以及通气孔对空腔尺寸的影响,主要内容和研究成果如下: 1、通过初步试验和计算,确定掺气设施的体型和布置位置。根据现有的试验条件,选择掺气挑坎为本次试验的掺气设施。挑坎坡比的选择:经过综合考虑,本次试验采用1:5,1:7,1:10三种挑坎坡度,以比较挑坎坡度对水流的影响;挑坎高度的选择:根据有机玻璃水槽的边壁高度,设计了三种坎高(Δ=1cm,Δ=2cm,Δ=3cm)进行组合的挑坎模型,共有九种不同的挑坎模型。 2、确定来流条件。水槽底坡的确定:根据现有的试验条件,调节双变坡有机玻璃水槽,确定了三种不同水槽底坡i1=0.070(α=4°),i2=0.087(α=5°),i3=0.096(α=5.5°)。根据挑坎和玻璃水槽坡度的关系调试出了比较合适的6种不同的流量(Q1=5243cm3/s,Q2=4361cm3/s,Q3=3440cm3/s,Q4=2662cm3/s,Q5=2171cm3/s,Q6=1707cm3/s),并采用直角三角形薄壁堰及测针、进水阀门控制流量的大小。 3、空腔长度是检验掺气效果最重要的指标。试验得出:当水槽底坡不变时,掺气挑坎的体型变化对空腔长度产生很大的影响。提高挑坎高度和坡度,均能增加空腔长度,但有一定的限制。随着Fr的增大,空腔长度先增大,后减小,再增大,呈现“S”型的变化特点。但随着Re与We的增加,空腔长度却是逐步增加的。 4、掺气空腔内积水,不仅影响水流掺气,而且关系到空腔的稳定性。空腔回水问题是小底坡水槽不可避免的问题。分析了空腔回水与其影响因素的关系。具体包括:空腔回水与流量的关系、空腔回水与水槽底坡的关系,以及空腔回水与射流水舌冲击角的关系。在本试验条件下,射流冲击角5.5°时已出现空腔回水。显然,空腔回水的出现与射流冲击角密切相关,但归根结底还是与来流条件、水槽底坡、掺气坎体型的确定有关。 5、分析了通气孔对空腔长度的影响。通气孔的面积大小对空腔长度的影响较明显,在其他条件不变时,通气孔面积越小,越难以形成稳定的空腔,容易形成空腔回水;通气孔面积越大,形成掺气空腔长度越长,空腔回水深度越小。但当通气孔面积达到一定值时,空腔长度达到最长。


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