水利工程中,挑流和底流是常用的消能方式。挑流消能中,水流从挑坎射入下游消力池中,其与下游水体发生碰撞,入射点附近会掺入空气产生巨大旋滚,同时产生水噪声。底流消能中,水流从建筑物下泄至消力池会掺入空气,也会产生水噪声。水噪声不但与水流的紊动有关,而且与水流掺入的气体多少有关。为解决水噪声产生机理问题,同时探究掺气浓度对水噪声产生的影响。试验从水滴、水流下落产生掺气入手,设置水滴、挑流、底流试验工况,分析各工况的掺气浓度分布,同时对水噪声频谱分析,得到各工况下掺气浓度对水噪声的影响,得到了影响水噪声的主要因素,引入影响水噪声因素的无量纲数与水噪声进行回归分析,得到水噪声关于弗汝德数和掺气浓度的回归方程。试验中利用高速摄像机采集水滴下落的图片,通过改变水滴直径、水滴下落高度及下落滴数对不同工况进行试验,用Photoshop图像处理软件和CAD制图软件对所采集的图像进行后期处理,得到不同工况下水滴下落后掺入气体的量。利用CQ6-2005电阻式掺气浓度仪对挑流下泄至水垫塘以及底流试验消力池内的掺气浓度分布进行实测,得到不同工况下水垫塘以及消力池内掺气浓度分布规律。利用旋桨式流速仪对水垫塘和消力池内流速进行实测,得到了不同工况的流场分布。主要规律如下:(1)水滴下落过程中,随水滴直径的增大,水滴与液面接触的铺展面积增大,水滴下落后动能转化为液面的紊动能变大,掺气浓度呈减小的趋势;(2)挑流试验中,水垫塘内的流速梯度随流量增大呈增大的趋势。下泄的流量、下落高度和水垫塘深度对水垫塘内掺气浓度分布影响较大,水流的挑射角度对掺气浓度影响较小;(3)底流试验中,宽顶堰下泄流量及消力池尾坎高度对消力池内流场和掺气浓度分布影响较大,下泄流量影响消力池内流速梯度,消力池尾坎高度影响堰后发生掺气的位置。使用ZonicBook专业振动噪声分析系统和AWA6228~+多功能声级计对水滴下落、水流挑射至水垫塘以及底流消力池内产生水噪声采集。根据1/3倍频程将水噪声分为低频、中频以及高频,水流紊动产生脉动辐射噪声其为低频,频率范围在20-500Hz;水滴下落过程中有气体掺入形成气泡,气泡破灭产生的水噪声频率为中高频,其中初次产生的气泡频率为高频,范围在2000-8000Hz,而次生气泡产生的水噪声为中频,频率范围在500-2000Hz。根据对频谱的分析得到以下主要规律:(1)水滴下落产生的水噪声声压级与掺气浓度和液面的紊动有关,水噪声的频率多为高频范围;(2)挑流试验中,水垫塘内平行水流方向的水流噪声呈减小趋势,在距下落点一定距离内水流噪声由掺气气泡破灭噪声和水流脉动辐射噪声两部分组成,而在掺气逸出后的水流噪声主要为水流脉动辐射噪声;(3)底流试验中,消力池内水流噪声在发生掺气位置处至掺气逸出间由掺气气泡破灭噪声和脉动辐射噪声两部分组成,频率范围在高、中、低频都有发生,但以高频为主。消力池内未发生掺气的位置水噪声主要为脉动辐射噪声,主要频率范围集中在低频,噪声的音调较低。通过对所采集的水噪声数据进行频谱分析,确定了各个工况下水噪声产生的主要因素,分析出了水流紊动和掺气浓度为水噪声产生的主要因素。弗汝德数Fr表示水流的紊动情况,掺气浓度C表示水流下泄后掺入气体的情况,引入影响水噪声因素的无量纲数弗汝德数Fr和掺气浓度C,将无量纲数与水噪声声压级进行回归分析,得到了水噪声关于汝德数Fr和掺气浓度C的回归方程:L_P=63.28+0.80Fr+0.54C。