底流泄流雾化机理探究

底流消能是高水头泄水建筑物主要消能方式之一，它的能量消耗主要是利用水跃消能作用。一般来讲，底流消能所引起的雾化问题不太严重，因此有关底流消能雾化的研究工作相对较少[12-15]。但如果水利枢纽附近存在雾化对其可能有影响的重要设施，则仍需评估雾化的影响程度。

从底流消能雾化的发展过程可将其分为两个阶段：其一为雾源生成段，其二为雾流扩散段。根据雾化产生机理的不同，底流泄流雾化源可分为二个：一是溢流坝面自掺气而产生的雾化源，二是水跃区强逼掺气而产生的雾化源[16-17]。

1.坝面溢流自然掺气形成的雾源

溢流坝面上的水流出现掺气之后，依据速度与含水浓度沿垂向的变化可将其分为上、中、下三层，如图15.5所示。各层运动特征如下：①上层，水滴在空气中运动，属气流挟带水滴的雾化流；②中层，气泡在水流中运动，属水—气混合流；③下层，不含气的水流运动，该层厚度随水流掺气程度的增加而减小。

2.水跃区生成的雾源

水跃区水流掺气强烈，如图15.6所示，水跃的挟气过程如下：从溢流水舌和水跃表面旋滚交界面（即剪切面）开始，空气受水流的围裹而进入其中。由于剪切面的不稳定性，部分空气掺混至主流中，而绝大部分空气则通过水跃表面旋滚的作用从水面逸出。在空气以气泡的形式从旋滚表面逸出的过程中，部分水滴也将被挟带而进入空气中，这是水跃区雾源形成的主要因素之一。此外，由于水跃旋滚中紊动特别强烈，其垂向脉动也能将一部分水滴抛出水面。

图15.5　坝面雾源示意图(www.xing528.com)

1—水流流速分布；2—空气含量分布

图15.6　水跃区雾源示意图

原型观测[7]研究表明雾源区在消能池内，而主要雾源区在水流入池处和水跃跃首处。

底流泄流雾化的物理过程如图15.7所示[15]。洪水在下泄和消能过程中形成的雾源在自然风和水舌风的综合作用下向下游扩散，在下游空间形成一定的水雾浓度，水雾经自动转换和碰并过程转变为雨滴。对于水雾和水汽之间发生雾滴的蒸发或凝结过程，因雨滴较雾滴少得多，故不予考虑，在图15.7中用虚线表示。

图15.7　底流泄流雾化的物理过程