高水头船闸输水反弧阀门段空化与振动问题,是船闸工程成败的关键技术问题。输水反弧阀门在开启过程中,由负压、高速水流以及压力与流速的剧烈时空脉动导致空蚀破坏,产生阀门振动和声震现象。而这些有害现象都与输水阀门后的流态变化有着密切的关系。因此,分析研究阀门段水流急变分离流的流态及其变化规律,对理论研究和工程设计实践都具有重要意义。 本文建立了船闸反弧门段的局部物理模型以及明渠跌坎的物理模型,采用PIV测速系统,首先对明渠跌坎的水流流场和水流结构进行了试验研究,在此基础上,对不同的开度下门后水流流态、水流结构和流场进行了较为详细的研究。研究了阀门后时均情况下的回流区长度、收缩系数、涡量场以及主流的变化情况和回流区、收缩系数的变化特性。研究成果表明:首次采用高分辨率双CCD同步测量方法,获得了反弧门后精细的水流流场;反弧门后水流回流区长度在0.2开度达到最大值,然后随开度的增大回流区长度逐渐减少;直接测出了反弧门不同开度的收缩系数值;通过涡量场的分析,可以直观反映出在小开度情况下,再附着点具有较强的脉动现象;回流区变化幅度与收缩系数变化幅度随开度的增大不断缩小;明渠跌坎水流回流区长度L_r随雷诺数Re的增大而增大。 论文对研究输水阀门空化机理,防止空蚀、阀门振动和声震,为通气、检修阀门的设置等提出理论支持。同时在国内外利用PIV直接测量通航船闸输水阀门后流场和水流结构等方面尚未见到相关资料,可为今后进行船闸反弧门后水流数值计算和理论研究提供参考。