第15章_水工建筑物高速水流

'第十五章水工建筑物的高速水流 15-1高速水流的定义、特性及水力学问题但如果水流运动速度足够高，以至于水流紊动强烈和剧烈掺气，并可能导致空蚀破坏、结构震动、局部区域雾流强降雨、急流冲击波及滚波等现象的单独或综合出现，此时的水流称为高速水流。常规的水力学方法就不再适用。水流的两种运动状态层流：液体质点以平行而不相混杂的方式流动。(v较小）紊流：液体质点的轨迹杂乱无章，质点相互混杂、碰撞。(v较大）如果水流运动的速度不高，即使紊流状态的水流，用常规的水力学方法或工程流体力学方法即可对其水力特性进行描述。习惯上常将流速达到15-20m/s以上的水流称为高速水流。产生于中高水头（几十米或百米以上）之下，如溢流坝、泄水陡槽、泄洪隧洞、放水底孔等 与中、低速水流相比，高速水流有以下流动特性：（1）通常为复杂边界条件下的多相体系水流。掺气水流和雾化水流的雾流扩散段为水－气二相流。（2）高速水流与过水边界之间的相互作用更加突出。如渠道中边墙的偏转可导致急流冲击波的形成；雾化水流中的雾化降雨在很大程度上依赖于下游的地形；由高速水流形成的空蚀破坏甚至将导致水流边界的改变。（3）高速水流中惯性力的作用更加突出，可能导致结构物或水力机械工作条件的恶化，甚至破坏。 高速水流会产生许多特殊的水力学问题：1.发生强烈的压强脉动——高速水流的高速紊动使动水压强产生强烈的脉动，这种脉动增加了建筑物的瞬时动荷载，有时可能引起水工建筑物的振动。脉动压强的分析计算问题2.发生气蚀现象——高速水流通过泄水逮筑物的某些部位时，固体表面常被拨蚀和破坏，这种现象叫做气蚀。气蚀为什么会发生，如何判断气蚀的发生，应采取什么措施来防止或减轻气蚀的破坏作用等。3．发生掺气现象——当流速达到一定程度，有自由表面的水流中将掺入大量空气，变成乳白色的掺气水流，使液体连续性遭到破坏，过去所讲的水力学公式也就不再适用。什么条件下水流开始掺气，掺气对泄水建筑物有什么影响，掺气水深如何计算等问题。4．发生波浪——由于流速快，水流的惯性特别大，固体边界的变化对水流的影响就非常敏感。即使侧壁几何条件有微小的变化也可使水面产生波浪，这种波浪叫做冲击波。侧壁几何形状虽不改变，在一定条件下，例如在槽宽水浅的陡槽中也可产生波浪，这种波浪叫做滚波．这些波浪的发生，一方面使水流局部水深增加，因此要求增高陡槽边墙的设计高度，增加了工程造价；另一方面当波浪传至下游出口，给消能造成困难。 15-2运动要素的数据处理脉动压强的危害：工程实例 紊流的主要特征：任意一点的运动要素（动水压强、流速等）具有脉动现象，为随机过程，其描述方法为1.时均值——不能满足高速水流专题的研究需要2.利用概率论和随机过程的有关理论进行分析处理。运动要素随机过程的成因：紊动的水流中存在着许多尺度大小不等的涡体，涡体的运动导致运动要素的脉动，大尺度的涡体：振幅大频率低；小尺度的涡体：振幅小频率高。最终构成了运动要素的随机过程。 脉动强度物理意义：反映了紊流场中涡体的某种尺度，超过这一尺度，不应再存在相关，即相关函数趋于零。 15-3水工建筑物的空蚀一、空蚀（气蚀）的危害 空穴和空蚀的概念液体内部发生汽化形成空泡的现象称为空穴。因空穴溃灭的冲击压强，导致边壁材料拨蚀的现象称为空蚀。发生空蚀的前提——产生空穴。 二、判断空穴的指标——空穴数空穴发生条件：P<=PvPv:蒸汽压强。 三容易发生空穴的部位低压区：（1）位置高、流速大的地方；（2）边界急剧变化引起的旋涡的中心。空穴随流进入高压区（p>Pv）溃灭而产生空蚀。＋P215图15.5 四、减轻和消除空蚀的措施1．边界轮廓要设计成流线型。气蚀产生的条件是低压区的存在，欲避免低压区的发生，边界轮廓应没计成流线型，以避免水流与边界脱离而产生旋涡。2．施工舌后，过水表面上不应存在钢筋头等各种残留突起物，对过水边界表面在施工中可能造成的不平整度要加以控制。一般来说，表面存在升坎比跌坎容易发生气蚀．突起比凹陷窖易引起气蚀；将突起部分磨成平缓的坡面，就可大大减少发生气蚀的可能性。3.用抗蚀性能较强的材料。如钢板、工业橡皮等。 15-4掺气水流简介有自由表面的明渠水流运动时，在一定的流速下，水流就发生掺气过程，即空气潜入水中，使水中含气达一定的程度，以及伴随掺气而发生弥散现象，也就是水质点散播在气体介质之中的现象。水流掺气自掺气：高速下泄的水流与大气自动混掺，能保持沿流掺气。强迫掺气：从空气中射入水中的射流，以及水跃区、桥墩和闸门槽之后也会出现掺气现象。水流离开干扰区后，掺入的气泡会很快地释放掉。二相流：非连续介质，连续介质的水力学计算方法不再适用，必须根据二相流的特性进行分析研究。一、水流掺气的现象 掺气水流可分为三个区域：上部、中部、底部。高度掺气时，清水区就不存在。掺气水流中任一过水断面 二水流掺气对水工建筑物的影响 三掺气水流的掺气浓度确定掺气水流的抖槽边墙高度和泄洪隧洞洞顶余幅的重要参数haw 边界层概念：粘性液体流经固体表面时，在壁面附近形成的流速梯度明显的流动薄层。边界层内：粘性不能忽略，须按实际液体处理；边界层外：可忽略粘性，按理想液体处理。 '