中文摘要：

本项目结合实验室水槽试验与数值模拟研究，揭示了水槽中自由面紊流水面掺气的详细过程，建立了可以完整、准确描述掺气过程的数学模型，并在此基础上开发出了可以模拟水面掺气、气泡混合与溢出水面的数值模型。在水槽试验中，通过采用高精度高速摄像机，发现了紊动导致的自由面掺气与水面紊动强度的大小直接相关并可用平均流速梯度进行初步量化。在数值模拟研究中，对模型的精度与稳定性进行了严格验证，以明渠流水槽中紊流水面掺气为例，对比了计算结果和经典的实验数据和理论解。模型被应用于研究消能池中的挑射流导致的水面破碎与掺气混合以及在下游河道中溢出的完整过程，也被应用于研究更为复杂的三维运动箱体中液体晃荡工程中的水面破碎与掺气。本项目中建立的数值模型是首个可以在单一模型中完整模拟水面因紊动而掺气和混合以及因紊动减弱而溢出水面的完整过程，并在模拟中准确描述水面变动（如掺气导致的水体膨胀和水面上升与气泡溢出导致的水面下降）。