摻氣減蝕技術(shù)及摻氣設(shè)施研究進(jìn)展

高 昂, 吳時(shí)強(qiáng), 王芳芳,朱森林

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072)

一些泄水建筑物因具有高水頭、大流量、高流速等特點(diǎn),如不采取一定的措施,高速水流有可能引發(fā)過(guò)流面空蝕破壞。國(guó)內(nèi)外水利工程泄水建筑物發(fā)生空蝕破壞的例子很多,如巴拿馬Madden壩泄水道進(jìn)水口,美國(guó)Hoover壩泄洪洞反弧段、伊朗Karun I溢洪道底板和側(cè)墻、蘇聯(lián)Bratsk水電站溢流壩面以及我國(guó)的二灘水電站泄洪洞反弧末端下游等都發(fā)生過(guò)較嚴(yán)重的空蝕破壞。因此,在高速水流過(guò)流建筑物的設(shè)計(jì)中,必須充分考慮減免高速水流空蝕破壞的措施。常用減免水流空蝕破壞的工程措施主要有:采取合理的過(guò)流建筑物結(jié)構(gòu)體型,控制過(guò)流面的平整度,采用抗空蝕能力強(qiáng)的建筑材料,向可能發(fā)生空蝕區(qū)域上游一定位置的水體通氣,即摻氣減蝕。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明[1],相比于其他幾種措施,摻氣減蝕措施的操作性好且效果顯著,是一種行之有效地減免高速水流過(guò)流面空蝕破壞的壩工技術(shù)。它通過(guò)在高速水流流道底部或側(cè)壁設(shè)置摻氣設(shè)施,脅迫空氣摻入水流,改變來(lái)流運(yùn)動(dòng)特性,使之形成具有一定壓縮性的水、氣混合兩相流,減輕或消除水流對(duì)過(guò)流面的空蝕破壞。目前,溪洛渡、小灣、錦屏一級(jí)等超高壩工程的超高速水流空化空蝕問(wèn)題更為突出,摻氣減蝕研究仍是目前的重要研究課題。

國(guó)外在20世紀(jì)40年代就開(kāi)始了摻氣減蝕方面的研究與實(shí)踐,而我國(guó)從20世紀(jì)70年代才開(kāi)始,目前,國(guó)內(nèi)外已有上百座水利工程的泄水建筑物應(yīng)用了摻氣設(shè)施,摻氣減蝕技術(shù)在高水頭、大泄量泄水建筑物中迅速推廣應(yīng)用,也極大地促進(jìn)了高速水流問(wèn)題的理論研究與泄水建筑物減蝕工程技術(shù)發(fā)展,保證了泄水建筑物的高效安全運(yùn)行。本文基于已有研究,從摻氣減蝕機(jī)理、摻氣水流運(yùn)動(dòng)特性及摻氣設(shè)施體型及布置三方面對(duì)摻氣減蝕技術(shù)進(jìn)行綜述,提出了研究中存在的不足之處,并對(duì)需進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容作了展望。

1 摻氣減蝕機(jī)理

向水流中摻入適量空氣來(lái)抑制高速水流空蝕破壞的做法已得到普遍認(rèn)可,Hammitt[2]指出水流空蝕破壞程度與其摻氣量關(guān)系密切,給出了α/αs值(α為摻氣量,αs為空氣在水中的溶解度)與空蝕破壞程度的定性關(guān)系。然而,由于摻氣減蝕問(wèn)題本身的復(fù)雜性及研究方法的局限性,人們對(duì)摻氣減蝕的微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)理解釋還不能達(dá)成一致[3],目前主要存在以下3種關(guān)于摻氣減蝕機(jī)理的解釋:

a. 摻氣提高水流絕對(duì)壓強(qiáng),增加當(dāng)?shù)厮骺栈瘮?shù)[4-5]。黃建波等[6-7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水流摻氣后低壓區(qū)水體壓強(qiáng)有所提高,當(dāng)?shù)氐乃骺栈瘮?shù)增大,而邊界輪廓一定的情況下,初生空化數(shù)是定值[1],因此,摻氣對(duì)水流空化起到了抑制作用。然而,Hammitt等[2, 8]認(rèn)為水流的初生空化數(shù)并非一成不變,而是與水流摻氣量呈正相關(guān)關(guān)系,也就是說(shuō),水流摻氣也會(huì)提高其初生空化數(shù),使得水流具有了易于空化的特性。劉繼廣[9]指出空化數(shù)是以對(duì)空化現(xiàn)象的簡(jiǎn)單量化和便于比較為目的而定義的,其應(yīng)用有一定的局限性,并不能全面反映水流空化的真實(shí)狀態(tài)。因此,從水流空化數(shù)的角度來(lái)解釋摻氣對(duì)空化空蝕的減免作用的理論依然受到質(zhì)疑。

b. 摻氣形成“氣-汽”空化泡,消減空化泡潰滅時(shí)釋放的能量。摻入水流的氣體可以部分進(jìn)入空化泡內(nèi),在其內(nèi)部形成“氣-汽”混合物,空化泡內(nèi)氣體的存在減小了空化泡潰滅初始半徑與潰滅結(jié)束時(shí)半徑的差值,并延長(zhǎng)潰滅時(shí)間,進(jìn)而降低了空化泡潰滅時(shí)釋放的能量,且潰滅空化泡內(nèi)殘留的可壓縮性空氣又能吸收部分空化泡潰滅時(shí)的能量[10-12]。劉士和[1]利用空泡動(dòng)力學(xué)理論對(duì)摻氣水流進(jìn)行簡(jiǎn)化分析,得到了水流摻氣量與空化泡潰滅時(shí)壓強(qiáng)之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而,也有學(xué)者對(duì)這種機(jī)理提出質(zhì)疑,張法星等[3]認(rèn)為空氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)很小,空化泡發(fā)育與潰滅時(shí)間為微秒量級(jí),空氣在如此短時(shí)間內(nèi)向空化泡內(nèi)的擴(kuò)散量是非常有限的,因此對(duì)空化泡潰滅時(shí)釋放能量的消減作用也十分有限。

c. 摻氣形成的“海綿層”削弱空化泡潰滅時(shí)釋放能量的通量。韓偉等[13-14]試驗(yàn)研究了空氣泡與空化泡相互作用關(guān)系,結(jié)果表明水流摻氣后,空氣泡與空化泡之間、空化泡與空化泡之間的作用逐漸增強(qiáng),形成了具有較強(qiáng)壓縮性的“海綿層”,能削弱空化泡潰滅時(shí)形成的微射流及輻射沖擊波的能量,進(jìn)而削弱或消除空化泡破滅對(duì)邊壁的空蝕破壞[15]。

上述摻氣減蝕的機(jī)理均有一定的理論與試驗(yàn)基礎(chǔ),也較符合人們的客觀認(rèn)識(shí)規(guī)律,但由于尚缺乏可靠的試驗(yàn)證明和完備的理論支撐,某些解釋仍處于猜想與分析階段[16]。

近年來(lái),隨著高速攝影技術(shù)的快速發(fā)展及空化泡、空氣泡模擬技術(shù)的逐漸成熟[17],不少學(xué)者開(kāi)展了空化泡與空氣泡微觀作用過(guò)程的精細(xì)研究,Xu等[18-19]試驗(yàn)研究了邊壁附近單個(gè)空化泡與單個(gè)空氣泡相互作用規(guī)律,指出當(dāng)空化泡大于空氣泡時(shí),空化泡潰滅過(guò)程中向空氣泡靠近,反之則遠(yuǎn)離空氣泡潰滅;相對(duì)位置、氣泡間距、氣泡與邊壁距離是決定空化泡-空氣泡-邊壁作用模式及強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù);空氣泡和邊壁對(duì)空化泡運(yùn)動(dòng)的影響可用矢量疊加來(lái)表示。Wakana等[20]試驗(yàn)研究了水流流速、水中含氧量及氣核濃度對(duì)空化的影響,指出氣核濃度是影響空化初生的關(guān)鍵指標(biāo),當(dāng)氣核濃度較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生空泡式空化,當(dāng)氣核濃度較小時(shí)會(huì)產(chǎn)生片狀空化。上述類似研究,為不同摻氣減蝕機(jī)理的解釋提供了試驗(yàn)參考及數(shù)據(jù)支撐,為揭示摻氣減蝕機(jī)理提供了可能。

2 摻氣水流運(yùn)動(dòng)特性

在高速水流泄水建筑物中,水流在流動(dòng)過(guò)程中受到干擾(邊界突變、水流交匯等),水流結(jié)構(gòu)或狀態(tài)發(fā)生較大變化時(shí),會(huì)造成水體破碎而發(fā)生強(qiáng)迫摻氣[1]。對(duì)于設(shè)有摻氣設(shè)施的泄流建筑物,水流在摻氣設(shè)施擾動(dòng)作用下,原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被打破,以強(qiáng)迫摻氣形式摻入空氣,呈現(xiàn)出一種新的水、氣兩相流運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這種狀態(tài)具有非穩(wěn)定性,即在水、氣兩相流自調(diào)節(jié)作用下,其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及成分隨著遠(yuǎn)離摻氣設(shè)施而逐漸改變,最后趨于穩(wěn)定。在此過(guò)程中,摻氣水流實(shí)現(xiàn)了自身物理狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的改變,呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的演變規(guī)律。

2.1 摻氣水流演變規(guī)律

來(lái)流在摻氣設(shè)施調(diào)控?fù)綒夂蟪尸F(xiàn)出一種新的非穩(wěn)定狀態(tài),這種非穩(wěn)態(tài)混合體隨著距摻氣設(shè)施距離不同,而呈現(xiàn)出不同的規(guī)律[21]。Pfister等[22]在室內(nèi)精密水槽中研究了“挑跌坎”摻氣設(shè)施下?lián)綒馑鬟\(yùn)動(dòng)特性,根據(jù)摻氣水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及水流摻氣濃度的空間分布規(guī)律,將摻氣水流分為4個(gè)區(qū)域:噴射區(qū)、附著區(qū)、飛濺區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。噴射區(qū)是實(shí)現(xiàn)水流摻氣的主要區(qū)域,水流脫離固壁邊界后過(guò)渡為自由射流,上下水氣交界面處水體以強(qiáng)烈紊動(dòng)的漩渦形式存在,這種強(qiáng)烈的紊動(dòng)克服了水流表面張力,卷吸臨近空氣實(shí)現(xiàn)摻氣,摻入的氣體又通過(guò)水體的紊動(dòng)擴(kuò)散進(jìn)一步向射流中心區(qū)域傳遞;附著區(qū)的摻氣水流產(chǎn)生壓縮,靠近底板處水體壓縮最為嚴(yán)重,導(dǎo)致該區(qū)域底部水體部分氣體排出,近底板處水體摻氣濃度降低;飛濺區(qū)水體處于膨脹散裂狀態(tài),特別是表層水體的強(qiáng)烈翻滾與飛濺,實(shí)現(xiàn)了較高強(qiáng)度的表層水體摻氣;遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)水體已基本不受摻氣設(shè)施的影響,其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化強(qiáng)度也十分微弱,該區(qū)域水體摻氣濃度也基本趨于穩(wěn)定。無(wú)論是噴射區(qū)上下交界面摻入的氣體向射流中心水體擴(kuò)散,還是在其余3個(gè)區(qū)域中,表層水體摻入的氣體向近底水體擴(kuò)散,其擴(kuò)散強(qiáng)度均與水體的紊動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)。

2.2 摻氣空腔長(zhǎng)度的估算

摻氣空腔長(zhǎng)度是摻氣設(shè)施研究中一個(gè)非常重要的特征尺度[23-24],它一定程度上反映了摻氣設(shè)施的摻氣能力,空腔長(zhǎng)度越長(zhǎng),水流摻氣越充分,減蝕效果越好。其大小主要與來(lái)流條件、摻氣設(shè)施體型、供氣系統(tǒng)通風(fēng)特性及射流再附區(qū)底板形式等有關(guān)。目前空腔長(zhǎng)度的求解方法主要有4種:拋射體公式[23,25-26]、因次分析法[22,27]、基于勢(shì)流理論的數(shù)值計(jì)算法[28]和射流微元體受力平衡法[29]。其中,修正后的拋射體公式精度較高，運(yùn)算方便,應(yīng)用較為廣泛;因次分析法是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)或者原型觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析,其適用性取決于統(tǒng)計(jì)資料的完備程度;勢(shì)流理論公式計(jì)算量偏大,應(yīng)用不夠方便;射流微元體受力平衡法忽略或者假設(shè)條件較多,計(jì)算精度不高。相對(duì)而言,目前采用前兩種方法計(jì)算空腔長(zhǎng)度的研究較多,其代表性成果如下:

a. 修正后的拋射體公式。采用該方法推求的空腔長(zhǎng)度是以剛體拋射體運(yùn)動(dòng)軌跡曲線為基礎(chǔ),考慮流體與剛體運(yùn)動(dòng)特性的差異,通過(guò)引入修正系數(shù),得到適用于射流的軌跡曲線。Wu等[26]考慮了來(lái)流水深h、來(lái)流流速v0、空腔負(fù)壓Δp、挑坎上游底坡α1、挑坎下游底坡α2及射流的徑向脈動(dòng)流速u′的影響[30],得到的空腔長(zhǎng)度算式為

L=v0Tcosβ+0.5gT2sinα2

(1)

式中:L為空腔長(zhǎng)度;R為水力半徑;n為曼寧系數(shù);tr為挑坎高度;ts為跌坎高度;θ為挑坎挑角;γ為水的容重;g為重力加速度。

b. 因次分析法。Pfister等[22]在精密水槽中對(duì)“挑+跌”組合坎作用下的射流空腔長(zhǎng)度進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,忽略空腔負(fù)壓對(duì)空腔形態(tài)的影響,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到空腔長(zhǎng)度算式為

(0

(2)

(0

(3)

式(3)反映空腔長(zhǎng)度與來(lái)流水深無(wú)關(guān),與來(lái)流流速、挑坎角度、跌坎高度、底坡坡度有關(guān)。需要指出的是,上述算式成立是以一定的假設(shè)為前提,在具體工程中僅能作為參考,想要得到符合實(shí)際工程的較為理想的結(jié)果,還應(yīng)通過(guò)具體的模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬計(jì)算。

2.3 摻氣保護(hù)長(zhǎng)度的估算

對(duì)于確定的摻氣設(shè)施、水流條件及護(hù)面材料,摻氣設(shè)施對(duì)過(guò)流面的摻氣保護(hù)長(zhǎng)度也基本確定[24],摻氣保護(hù)長(zhǎng)度反映了減蝕護(hù)壁效率,它代表了摻氣水流保護(hù)過(guò)流面免受空蝕破壞的最大范圍。摻氣保護(hù)長(zhǎng)度與摻氣濃度沿程演變規(guī)律及過(guò)流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。

2.3.1 過(guò)流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)

過(guò)流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)反映了過(guò)流面抵抗水流空蝕破壞的能力,是確定摻氣保護(hù)長(zhǎng)度的關(guān)鍵指標(biāo),目前廣泛采用臨界免蝕摻氣濃度作為臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷過(guò)流面的抗空蝕能力。Peterka等[31-32]的試驗(yàn)結(jié)果表明:若水流不摻氣,即使混凝土的抗拉強(qiáng)度很高,也會(huì)發(fā)生空蝕破壞;而當(dāng)近底摻氣濃度為2%左右時(shí),混凝土的空蝕破壞程度顯著降低;當(dāng)近底水體摻氣濃度達(dá)7%～8%時(shí),即使強(qiáng)度較低的混凝土試樣也可以很好地避免空蝕破壞。馮家山、烏江渡、豐滿等水庫(kù)的泄水建筑物的原型觀測(cè)資料表明,一般水利工程臨界減蝕摻氣濃度可取2%[33-34]。隨著新型混凝土材料及專用混凝土材料密實(shí)度、強(qiáng)度等的提高以及泄水建筑物施工工藝技術(shù)水平的提升[35],泄水建筑物的抗空蝕能力逐漸增強(qiáng)。陳先樸等[36]對(duì)摻氣減蝕機(jī)理進(jìn)行了微觀分析,認(rèn)為摻氣減蝕作用主要依靠近壁水體中小尺寸氣泡數(shù)量,而非所有尺寸的氣泡,指出以近壁水體內(nèi)較小尺寸(如氣泡直徑為0.2 mm或0.5 mm)氣泡的數(shù)量作為過(guò)流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)更為合理。張亞磊等[37]同樣指出除了摻氣濃度,氣泡尺寸與氣泡數(shù)量對(duì)空化的影響至關(guān)重要。

無(wú)論是采用摻氣濃度還是摻氣泡尺寸與數(shù)量,僅將單一指標(biāo)作為判別過(guò)流面是否發(fā)生空蝕破壞的做法并不合理,它忽略了流速是引起空化空蝕的關(guān)鍵,且不同泄水建筑物的混凝土材料及壁面平整度的差異也會(huì)導(dǎo)致其抗空蝕能力的不同。更合理的做法是在確定過(guò)流建筑物的臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)時(shí),除考慮水流摻氣指標(biāo)外,還應(yīng)考慮水流流速、壁面平整度及混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度等因素的影響,采用一個(gè)綜合指標(biāo)作為過(guò)流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 水流摻氣濃度沿程演變規(guī)律

在射流摻氣后形成的水氣兩相流中,近壁水體摻氣濃度的沿程演變規(guī)律是確定摻氣設(shè)施有效防蝕范圍的重要依據(jù)[21]。時(shí)啟燧等[27]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),研究了摻氣坎下游距底板1 cm處水體摻氣濃度沿程演變規(guī)律,并將其與馮家山水庫(kù)溢洪洞、蘇聯(lián)Bpktck水庫(kù)溢流壩的原型觀測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行對(duì)比分析,得出如下結(jié)論:試驗(yàn)與原型近壁摻氣水流中氣泡逸離規(guī)律相似;在空腔下游1～3倍空腔長(zhǎng)度范圍內(nèi)(13)范圍內(nèi),氣泡逸離近底水體的速率明顯減緩,并逐漸過(guò)渡到一準(zhǔn)穩(wěn)定值。Pfister等[22]通過(guò)水槽試驗(yàn)得到了水體斷面平均摻氣濃度Ca和近底水體(2 mm3),水體平均摻氣濃度沿程緩慢降低。從圖1(b)中看出在Ⅰ區(qū),底部水體摻氣濃度維持在1,這是由于拋射水體在空中摻氣所致;在Ⅱ和Ⅲ區(qū),近底水體摻氣濃度沿程遞減,即使在x/L=2附近表層水體較大強(qiáng)度的摻氣也沒(méi)有導(dǎo)致近底水體摻氣濃度的增加,這說(shuō)明表層散裂水體摻入的氣體并沒(méi)有傳遞至近底水體。

圖1 摻氣濃度沿程變化[22]

在常規(guī)水工模型中,由于縮尺效應(yīng)的影響,對(duì)水流摻氣現(xiàn)象的模擬是在一定的相似性假定前提下進(jìn)行的,試驗(yàn)結(jié)果并不一定能準(zhǔn)確反映原型情況。鑒于此,不少學(xué)者嘗試采用數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)摻氣水流現(xiàn)象進(jìn)行研究。崔隴天[38]采用紊動(dòng)擴(kuò)散理論描述挑坎下游水體摻氣濃度分布規(guī)律,假定紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)、氣泡上浮速度及水流流速為常數(shù)的前提下,推導(dǎo)出近底水體摻氣濃度的沿程衰減符合指數(shù)分布,分布式形式為Cb=A0e-kx+A1,式中:A1為與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)水體自摻氣強(qiáng)度及紊動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)的數(shù)值,即上文提到的準(zhǔn)穩(wěn)定值;A0、k為待定參數(shù),需由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合求得。王鵬舉[39]指出崔隴天在尋求濃度擴(kuò)散方程解析解的過(guò)程中,對(duì)水流流速與紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的簡(jiǎn)化使計(jì)算結(jié)果偏差較大,在其基礎(chǔ)上對(duì)紊流擴(kuò)散理論方法進(jìn)行了改進(jìn),得到了更符合實(shí)際流速和紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的確定方法,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與原型觀測(cè)資料具有較好的一致性。羅銘[40]建立了符合簡(jiǎn)化馬爾科夫鏈過(guò)程的氣泡隨機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了摻氣坎后水氣兩相流中摻氣濃度沿程演變的近似模擬,但由于在求解過(guò)程中,對(duì)水流及氣泡運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,模擬精度還有待提高。Teng[41]采用VOF模型和兩相流模型模擬研究了摻氣坎后水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及摻氣濃度演變規(guī)律,但由于模型對(duì)氣泡破滅和質(zhì)點(diǎn)碰撞進(jìn)行了簡(jiǎn)化,其模擬精度及可靠度有待提高。

2.3.3 摻氣保護(hù)長(zhǎng)度及摻氣設(shè)施間距

崔隴天[38]通過(guò)對(duì)原型觀測(cè)和模型試驗(yàn)資料的分析,得到摻氣保護(hù)長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為:Lp=25(tr+ts)(Fr1-1)/cosα1,其中Fr1為挑坎處水流弗勞德數(shù)。文獻(xiàn)[42]根據(jù)布拉茨克溢流壩沿程水流摻氣濃度資料,估算出該溢流壩摻氣設(shè)施下接直線段的摻氣保護(hù)長(zhǎng)度約為100～150 m;下接反弧段的摻氣設(shè)施的摻氣保護(hù)長(zhǎng)度縮短為70～100 m。時(shí)啟燧[33]通過(guò)對(duì)摻氣濃度沿程分布的試驗(yàn)資料與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,建議摻氣保護(hù)長(zhǎng)度取空腔長(zhǎng)度的20倍左右。需要指出的是,摻氣保護(hù)長(zhǎng)度的確定受多方面因素影響,已有的經(jīng)驗(yàn)公式或求解方法普適性不強(qiáng),僅能作為工程設(shè)計(jì)的參考。摻氣保護(hù)長(zhǎng)度是確定多級(jí)摻氣設(shè)施間距的關(guān)鍵,為便于工程設(shè)計(jì)參考,表1統(tǒng)計(jì)了部分國(guó)內(nèi)外工程多級(jí)摻氣設(shè)施間距。

表1 部分工程摻氣設(shè)施間距

上述分析表明,雖然目前對(duì)摻氣水流運(yùn)動(dòng)特性的研究還不完善,但已有研究成果在一定程度上揭示了摻氣設(shè)施體型設(shè)計(jì)與摻氣水流運(yùn)動(dòng)特性之間的緊密關(guān)系,對(duì)摻氣設(shè)施的工程應(yīng)用起到了一定的指導(dǎo)作用。特別是摻氣空腔長(zhǎng)度、摻氣保護(hù)長(zhǎng)度的影響因素及計(jì)算方法的明確,為摻氣設(shè)施的體型優(yōu)化與高效應(yīng)用提供了重要的理論支撐。

3 摻氣減蝕設(shè)施體型及布置

摻氣減蝕設(shè)施廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中,如溢洪道、泄洪洞、陡槽等高水頭、高流速泄水建筑物,取得了顯著效益?？茖W(xué)合理的摻氣設(shè)施體型及布置形式是保證其充分發(fā)揮減免過(guò)流面空蝕破壞的關(guān)鍵。摻氣設(shè)施基本體型有摻氣挑坎、摻氣跌坎、摻氣槽、側(cè)壁突擴(kuò)4類。摻氣挑坎易于形成穩(wěn)定的空腔,但如果坎高過(guò)大,對(duì)來(lái)流的擾動(dòng)過(guò)強(qiáng),將會(huì)過(guò)度抬高來(lái)流而降低洞頂余幅,且水舌跌落至底板時(shí)沖擊力較大;摻氣跌坎對(duì)來(lái)流擾動(dòng)較小,但在小底坡過(guò)流道使用時(shí),跌落水流旋滾較強(qiáng),容易回溯,降低空腔長(zhǎng)度;摻氣槽對(duì)來(lái)流擾動(dòng)小,凹槽體型利于進(jìn)氣,但在小底坡過(guò)流道使用時(shí),摻氣槽內(nèi)容易出現(xiàn)積水,且在含沙水流中應(yīng)用時(shí)易被堵塞,很少單獨(dú)使用;側(cè)壁突擴(kuò)摻氣設(shè)施則主要起到保護(hù)側(cè)壁免受空蝕破壞的作用,在反弧段末端及其下游側(cè)壁應(yīng)用較多。在工程實(shí)際應(yīng)用中,為了充分發(fā)揮摻氣設(shè)施的護(hù)壁效果,更多的是采用上述基本體型的組合形式[43]。表2總結(jié)了部分國(guó)內(nèi)外典型泄水建筑物摻氣設(shè)施布置形式。

表2 部分泄水建筑物摻氣設(shè)施布置

肖興斌[44]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外31項(xiàng)采用摻氣設(shè)施的泄水建筑物運(yùn)行情況,歸納認(rèn)為當(dāng)過(guò)流面某處水流空化數(shù)小于0.22 (或流速大于37 m/s)時(shí),應(yīng)在其上游一定距離處設(shè)置摻氣設(shè)施。Volkart等[45]建議第一個(gè)摻氣設(shè)施位于弗勞德數(shù)Fr約為4的位置,Chanson[46]建議挑坎型摻氣設(shè)施應(yīng)設(shè)在Fr約為7的位置。樊博等[47]統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外31個(gè)大型水利工程泄洪洞中安全運(yùn)行的73個(gè)摻氣設(shè)施的結(jié)構(gòu)參數(shù)、水力參數(shù)和空腔長(zhǎng)度等資料,發(fā)現(xiàn)約85%的摻氣設(shè)施的挑坎高度介于0～0.8 m之間,約60%的挑坎角度在4°～8°之間,坎前底坡和坎后底坡在0～0.15之間的數(shù)量占59%,98%的空腔長(zhǎng)度集中于6～36 m之間。

李隆瑞[48]對(duì)上世紀(jì)90年代前國(guó)內(nèi)外部分泄水建筑物摻氣設(shè)施結(jié)構(gòu)體型及尺寸進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。這些傳統(tǒng)的摻氣設(shè)施在工程應(yīng)用中取得了顯著的效益,為摻氣減蝕技術(shù)的發(fā)展提供了豐富的理論依據(jù)及工程經(jīng)驗(yàn)。然而,針對(duì)某些低Fr水流泄水建筑物(如龍?zhí)ь^或龍落尾泄洪洞反弧段下游小坡度段),傳統(tǒng)的摻氣設(shè)施形成的空腔區(qū)流線受重力影響顯著,易造成空腔回水阻礙進(jìn)氣,降低摻氣設(shè)施的使用效率[49]。針對(duì)這一問(wèn)題,不少學(xué)者從優(yōu)化摻氣設(shè)施體型和改變摻氣坎后底坡銜接形式兩方面進(jìn)行了研究。支拴喜等[50]提出了齒墩式摻氣坎,試驗(yàn)研究表明其摻氣性能、摻氣保護(hù)長(zhǎng)度均優(yōu)于傳統(tǒng)的摻氣坎。Su等[51]推薦了一種適用于低Fr明流泄洪洞的“梯型槽摻氣坎”,模型試驗(yàn)表明該體型可有效地消除坎后回流。漆力健等[52]提出了一種“U型坎+陡坡”的組合式摻氣設(shè)施,該設(shè)施利用底部水舌的沖擊作用,有效地抑制了水流回溯,保證了摻氣空腔的穩(wěn)定,增大了水氣交界面積,提高了摻氣效率,較好地解決了大崗山水電站泄洪洞低Fr(Fr<3)水流的空化空蝕問(wèn)題。王海云等[53]提出了“V型坎”,模型試驗(yàn)表明該體型摻氣坎可有效破除低Fr水流引起的坎后水流回溯,此外,其穩(wěn)定的三維射流擴(kuò)散形態(tài)還增加了通風(fēng)井進(jìn)氣量與水流的摻氣量。吳偉偉等[54]采用摻氣坎下游加貼坡的設(shè)計(jì),有效地抑制了空腔回水,獲得了穩(wěn)定的摻氣空腔,改善了通氣量、氣水比等摻氣特性指標(biāo)。吳時(shí)強(qiáng)等[55]提出了“燕尾坎+貼坡”的組合摻氣結(jié)構(gòu),能有效解決小底坡、低Fr水流的摻氣空腔積水問(wèn)題。

上述新型摻氣設(shè)施一定程度上解決了低Fr水流底板空蝕破壞問(wèn)題,然而仍可能會(huì)出現(xiàn)邊墻的空蝕破壞,如龍羊峽、二灘等工程泄洪洞反弧段下游,雖然設(shè)置了適合低Fr水流的摻氣設(shè)施,有效地保護(hù)了底板的空蝕破壞,但是側(cè)墻卻出現(xiàn)了不同程度的空蝕破壞[56]。王海云等[57]在詳細(xì)介紹反弧段水流特性易空化的基礎(chǔ)上,提出了在反弧末端加折流器(突擴(kuò))與突跌組合的摻氣方式,該設(shè)計(jì)保證了側(cè)空腔和底空腔的協(xié)同供氣,對(duì)底板和側(cè)壁均起到了較好的保護(hù)作用。張宏偉等[58]指出在設(shè)計(jì)側(cè)壁摻氣設(shè)施時(shí)應(yīng)對(duì)摻氣底坎和側(cè)坎進(jìn)行整體優(yōu)化,給出了側(cè)壁摻氣設(shè)施體型設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化方法。王芳芳等[59]認(rèn)為突擴(kuò)突跌摻氣坎后空腔積水及折沖水翅的誘因是兩個(gè)“積水源”和一個(gè)“退水機(jī)制”,給出了一種局部變坡的摻氣坎體型。目前,三維全斷面摻氣設(shè)施已被應(yīng)用于二灘、白鶴灘、錦屏一級(jí)水電站等高水頭、大泄量泄洪洞反弧段,并取得了一定的效果。

摻氣設(shè)施體型及布置在大量的工程應(yīng)用中逐漸完善,總的來(lái)說(shuō)經(jīng)歷了兩個(gè)階段,由最初的4類基本體型單獨(dú)應(yīng)用到組合體型協(xié)同應(yīng)用為第一階段,在這一階段,摻氣減蝕技術(shù)及工程設(shè)施得到普遍認(rèn)可,在減免高速水流引發(fā)的空蝕破壞方面發(fā)揮了非常重要的作用,證實(shí)了摻氣減蝕設(shè)施的工程可行性與實(shí)用性,但是在解決低Fr水流特別是反弧段末端水流空化問(wèn)題仍顯不足,這也就促使了傳統(tǒng)摻氣減蝕設(shè)施的體型優(yōu)化與創(chuàng)新,即摻氣減蝕設(shè)施體型發(fā)展的第二階段,該階段以更加高效、全面地解決特定水流條件下水流空化空蝕問(wèn)題為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了摻氣減蝕設(shè)施的細(xì)節(jié)優(yōu)化與水流三維摻氣,為解決小底坡、低Fr水流底板與邊墻的空化空蝕問(wèn)題提供了思路。然而,需要指出的是新型摻氣設(shè)施相對(duì)復(fù)雜的體型對(duì)水流變化較為敏感,對(duì)體型的合理設(shè)計(jì)要求較高[60]。

4 研究展望

摻氣減蝕技術(shù)已在水利工程實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用,這與摻氣減蝕理論研究的逐漸完善是密不可分的。然而,由于空化空蝕微觀、瞬時(shí)、多相的內(nèi)稟特性,目前研究成果還不能令人滿意,今后還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究:

a. 已有幾種摻氣水流減蝕機(jī)理的解釋還不完善,應(yīng)進(jìn)一步采用高速攝影、圖像識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)探索空化泡-空氣泡-邊壁微觀作用機(jī)制,尤其是多泡情況下的相互作用機(jī)制。

b. 在合理模擬的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)水氣兩相流動(dòng)力過(guò)程的準(zhǔn)確定量描述,如探尋近壁(底板、側(cè)壁)水體摻氣濃度、氣泡特征的沿程演變規(guī)律,水流參數(shù)、泄槽坡度等與氣泡逸出過(guò)程的關(guān)系,水流紊動(dòng)強(qiáng)度與均衡摻氣濃度間的關(guān)系,過(guò)流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)與水流參數(shù)、邊壁材料及平整度的關(guān)系等。

c. 基于摻氣水流運(yùn)動(dòng)特性,進(jìn)行摻氣設(shè)施的體型優(yōu)化研究,特別地,如破除低Fr水流空腔回水、側(cè)空腔和底空腔協(xié)同穩(wěn)定供氣等復(fù)雜條件下的體型優(yōu)化問(wèn)題,提高摻氣及減蝕效率。