摻氣減蝕技術(shù)及摻氣設(shè)施研究進(jìn)展

高 昂, 吳時強(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)過流面空蝕破壞。國內(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的二灘水電站泄洪洞反弧末端下游等都發(fā)生過較嚴(yán)重的空蝕破壞。因此,在高速水流過流建筑物的設(shè)計中,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:采取合理的過流建筑物結(jié)構(gòu)體型,控制過流面的平整度,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流面空蝕破壞的壩工技術(shù)。它通過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,改變來流運(yùn)動特性,使之形成具有一定壓縮性的水、氣混合兩相流,減輕或消除水流對過流面的空蝕破壞。目前,溪洛渡、小灣、錦屏一級等超高壩工程的超高速水流空化空蝕問題更為突出,摻氣減蝕研究仍是目前的重要研究課題。

國外在20世紀(jì)40年代就開始了摻氣減蝕方面的研究與實(shí)踐,而我國從20世紀(jì)70年代才開始,目前,國內(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)動特性及摻氣設(shè)施體型及布置三方面對摻氣減蝕技術(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,由于摻氣減蝕問題本身的復(fù)雜性及研究方法的局限性,人們對摻氣減蝕的微觀動力學(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. 摻氣提高水流絕對壓強(qiáng),增加當(dāng)?shù)厮骺栈瘮?shù)[4-5]。黃建波等[6-7]通過試驗(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,水流摻氣也會提高其初生空化數(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)是以對空化現(xiàn)象的簡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)的角度來解釋摻氣對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)束時半徑的差值,并延長潰滅時間,進(jìn)而降低了空化泡潰滅時釋放的能量,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的能量[10-12]。劉士和[1]利用空泡動力學(xué)理論對摻氣水流進(jìn)行簡化分析,得到了水流摻氣量與空化泡潰滅時壓強(qiáng)之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而,也有學(xué)者對這種機(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)育與潰滅時間為微秒量級,空氣在如此短時間內(nèi)向空化泡內(nèi)的擴(kuò)散量是非常有限的,因此對空化泡潰滅時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,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)者開展了空化泡與空氣泡微觀作用過程的精細(xì)研究,Xu等[18-19]試驗(yàn)研究了邊壁附近單個空化泡與單個空氣泡相互作用規(guī)律,指出當(dāng)空化泡大于空氣泡時,空化泡潰滅過程中向空氣泡靠近,反之則遠(yuǎn)離空氣泡潰滅;相對位置、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);空氣泡和邊壁對空化泡運(yùn)動的影響可用矢量疊加來表示。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)氣核濃度較大時會產(chǎn)生空泡式空化,當(dāng)氣核濃度較小時會產(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)動特性

在高速水流泄水建筑物中,水流在流動過程中受到干擾(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,會造成水體破碎而發(fā)生強(qiáng)迫摻氣[1]。對于設(shè)有摻氣設(shè)施的泄流建筑物,水流在摻氣設(shè)施擾動作用下,原有運(yùn)動狀態(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。在此過程中,摻氣水流實(shí)現(xiàn)了自身物理狀態(tài)和運(yùn)動特征的改變,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)動特性,根據(jù)摻氣水流運(yùn)動特點(diǎn)及水流摻氣濃度的空間分布規(guī)律,將摻氣水流分為4個區(qū)域:噴射區(qū)、附著區(qū)、飛濺區(qū)、遠(yuǎn)場區(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渡為自由射流,上下水氣交界面處水體以強(qiáng)烈紊動的漩渦形式存在,這種強(qiáng)烈的紊動克服了水流表面張力,卷吸臨近空氣實(shí)現(xiàn)摻氣,摻入的氣體又通過水體的紊動擴(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)場區(qū)水體已基本不受摻氣設(shè)施的影響,其運(yùn)動狀態(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)度均與水體的紊動強(qiáng)度密切相關(guān)。

2.2 摻氣空腔長度的估算

摻氣空腔長度是摻氣設(shè)施研究中一個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,空腔長度越長,水流摻氣越充分,減蝕效果越好。其大小主要與來流條件、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]、基于勢流理論的數(shù)值計算法[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)或者原型觀測資料的統(tǒng)計分析,其適用性取決于統(tǒng)計資料的完備程度;勢流理論公式計算量偏大,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,計算精度不高。相對而言,目前采用前兩種方法計算空腔長度的研究較多,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度是以剛體拋射體運(yùn)動軌跡曲線為基礎(chǔ),考慮流體與剛體運(yùn)動特性的差異,通過引入修正系數(shù),得到適用于射流的軌跡曲線。Wu等[26]考慮了來流水深h、來流流速v0、空腔負(fù)壓Δp、挑坎上游底坡α1、挑坎下游底坡α2及射流的徑向脈動流速u′的影響[30],得到的空腔長度算式為

L=v0Tcosβ+0.5gT2sinα2

(1)

式中:L為空腔長度;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“挑+跌”組合坎作用下的射流空腔長度進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,忽略空腔負(fù)壓對空腔形態(tài)的影響,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到空腔長度算式為

(0

(2)

(0

(3)

式(3)反映空腔長度與來流水深無關(guān),與來流流速、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)通過具體的模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬計算。

2.3 摻氣保護(hù)長度的估算

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

2.3.1 過流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)

過流面臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)反映了過流面抵抗水流空蝕破壞的能力,是確定摻氣保護(hù)長度的關(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)來判斷過流面的抗空蝕能力。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,也會發(fā)生空蝕破壞;而當(dāng)近底摻氣濃度為2%左右時,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,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、豐滿等水庫的泄水建筑物的原型觀測資料表明,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)量對空化的影響至關(guān)重要。

無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導(dǎo)致其抗空蝕能力的不同。更合理的做法是在確定過流建筑物的臨界免蝕標(biāo)準(zhǔn)時,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,采用一個綜合指標(biāo)作為過流面臨界免蝕標(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]。時啟燧等[27]通過室內(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溢洪洞、蘇聯(lián)Bpktck水庫溢流壩的原型觀測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行對比分析,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,并逐漸過渡到一準(zhǔn)穩(wěn)定值。Pfister等[22]通過水槽試驗(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)度的摻氣也沒有導(dǎo)致近底水體摻氣濃度的增加,這說明表層散裂水體摻入的氣體并沒有傳遞至近底水體。

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)模型的方法對摻氣水流現(xiàn)象進(jìn)行研究。崔隴天[38]采用紊動擴(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)場區(qū)水體自摻氣強(qiáng)度及紊動強(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)散方程解析解的過程中,對水流流速與紊動擴(kuò)散系數(shù)的簡化使計算結(jié)果偏差較大,在其基礎(chǔ)上對紊流擴(kuò)散理論方法進(jìn)行了改進(jìn),得到了更符合實(shí)際流速和紊動擴(kuò)散系數(shù)的確定方法,數(shù)值計算結(jié)果與原型觀測資料具有較好的一致性。羅銘[40]建立了符合簡化馬爾科夫鏈過程的氣泡隨機(jī)運(yùn)動數(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,但由于在求解過程中,對水流及氣泡運(yùn)動特性進(jìn)行了簡化處理,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)動規(guī)律及摻氣濃度演變規(guī)律,但由于模型對氣泡破滅和質(zhì)點(diǎn)碰撞進(jìn)行了簡化,其模擬精度及可靠度有待提高。

2.3.3 摻氣保護(hù)長度及摻氣設(shè)施間距

崔隴天[38]通過對原型觀測和模型試驗(yàn)資料的分析,得到摻氣保護(hù)長度的經(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)長度約為100～150 m;下接反弧段的摻氣設(shè)施的摻氣保護(hù)長度縮短為70～100 m。時啟燧[33]通過對摻氣濃度沿程分布的試驗(yàn)資料與原型觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,建議摻氣保護(hù)長度取空腔長度的20倍左右。需要指出的是,摻氣保護(hù)長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)計的參考。摻氣保護(hù)長度是確定多級摻氣設(shè)施間距的關(guān)鍵,為便于工程設(shè)計參考,表1統(tǒng)計了部分國內(nèi)外工程多級摻氣設(shè)施間距。

表1 部分工程摻氣設(shè)施間距

上述分析表明,雖然目前對摻氣水流運(yùn)動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)計與摻氣水流運(yùn)動特性之間的緊密關(guān)系,對摻氣設(shè)施的工程應(yīng)用起到了一定的指導(dǎo)作用。特別是摻氣空腔長度、摻氣保護(hù)長度的影響因素及計算方法的明確,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。科學(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,但如果坎高過大,對來流的擾動過強(qiáng),將會過度抬高來流而降低洞頂余幅,且水舌跌落至底板時沖擊力較大;摻氣跌坎對來流擾動較小,但在小底坡過流道使用時,跌落水流旋滾較強(qiáng),容易回溯,降低空腔長度;摻氣槽對來流擾動小,凹槽體型利于進(jìn)氣,但在小底坡過流道使用時,摻氣槽內(nèi)容易出現(xiàn)積水,且在含沙水流中應(yīng)用時易被堵塞,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)過流面某處水流空化數(shù)小于0.22 (或流速大于37 m/s)時,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)計了國內(nèi)外31個大型水利工程泄洪洞中安全運(yùn)行的73個摻氣設(shè)施的結(jié)構(gòu)參數(shù)、水力參數(shù)和空腔長度等資料,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%的空腔長度集中于6～36 m之間。

李隆瑞[48]對上世紀(jì)90年代前國內(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]。針對這一問題,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,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題,然而仍可能會出現(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)計保證了側(cè)空腔和底空腔的協(xié)同供氣,對底板和側(cè)壁均起到了較好的保護(hù)作用。張宏偉等[58]指出在設(shè)計側(cè)壁摻氣設(shè)施時應(yīng)對摻氣底坎和側(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“積水源”和一個“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,總的來說經(jīng)歷了兩個階段,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題提供了思路。然而,需要指出的是新型摻氣設(shè)施相對復(fù)雜的體型對水流變化較為敏感,對體型的合理設(shè)計要求較高[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、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)對水氣兩相流動力過程的準(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程的關(guān)系,水流紊動強(qiáng)度與均衡摻氣濃度間的關(guān)系,過流面臨界免蝕標(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)化問題,提高摻氣及減蝕效率。