水工建筑物中的高速水流读书笔记

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水工建筑物中的高速水流读书笔记

一、高速水流的定义：

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。

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。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。

二、高速水流流动特性：

（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。

三、研究进展

对于高水头水工建筑物挑流扩散消能、斡型坦的水流脉动压力、高压闹阴的振动和高速水流的原型观侧等四项简题，主要研究成果如下:

1.挑流消能效果的衡量标准，包括冲刷坑的最大深度d，和冲刷最深点到坦趾的距离L，突践中希望比值心/L小于一定的数值，以保靓工程的安全，在挑流坎的型式选择中，也多以d扩乙的最小值为最优方案.

2.挑流鼻坎是集中控制挑流的关键，通过贰盼研究提出的鼻坎型式有平滑速擅式、矩形差动式、梯形差动式及扩散差动式等类型.对差动式鼻坎的挑射角度、齿和槽的合理尺寸等，都已取得较成熟的握盼，例如溢流坦的挑流平均角度在25“~30“之简，槽和齿的角度差为5。~10“，槽和齿的竟度比为1/2~2/3.在泄洪管出口采用在平面上扩散的弧形边墙，对于同时加大水流的横向扩散有显著的功效，佛子岭泄洪锢管末端的扩散器就是一个成功的例子.

3.挑流的射程主要取决于鼻坎处的水流流速挑射角度、鼻坎的高程位肴，就脸中发现还和坦面或陡槽坡度、反弧长度与水深比等因素有关系.根据贰输成果，提出了挑流射程的舒算公式，在佛子岭、密云等水康取得的原型观测青料，渝征了水工模型贰脸的射程和实际工程中较厚水舌的主流射程相接近.对于鼻坎上水流自由挑射的临界条件，也从边界层理渝出发，进行了分析.

4.射流捧气分散跌入下游水垫后引起的局部冲刷的最大深度与范围，决定于水垫的深度、河床盾的特性以及挑离鼻坎的流量和流速、射流在空中的修气扩散J清况、跌入水垫时的角度和能量分布情况等.通过贰盼研究工作，对松散体的冲刷提出区分浅水型与深水型的概念;从冲刷坑底的平衡流速和均匀流的不冲流速

出发，得出不搀气射流的冲刷深度算式;井进而对于人工俘气射流及人工分散射流，得出了冲刷深度减小的校正数.此外，对于射滩冲击河床表面以及冲刷坑底的压力也进行了拭盼研究，发现射流冲击点下游出现低压区，且压力变差较大，在靛斜跌流下的护坦时需加注意.，.拱垠溢流的挑流消能周题，由于坝顶为弧形，水流向心集中的特点而趋于复杂，通过流溪河拱坦溢流的贰盼研究，获得了高低坎错开排列布置及采用断面为梯形的扩散坎型等握脸.至于高速射流在空中互相撞击消能的方法，需注意撞击的位置和角度，不适当的撞击可能使两股水流重又集中，达不到覆期的扩散消能效果.

6.作用于溢流坦坦面水流的脉动压力具有随机性厦，且各点的脉动相位不同，一般税来，高速水流的压力脉动对坦休不易产生共振现象.

7.通过贰脆研究，渝征了加大鲤型坦单宽流量及采用溢流式水电站厂房的可能性.试输背料指明光滑溢流坦面上的水流脉动压力一般不超过平均流速水头的10%，郎使加大单竟流量，例如:拓溪溢流大头坦q=1肠立方米/秒/米，新安江溢流厂房q=126立方米/秒/米，根据模型贰盼成果熟为不致影响埙身安全，对于节豹工程材料和费用，具有重大意义。

8.通过对佛子岭、梅山、大伙房水康等高压平板阴阴的原型观侧及一些相应的模型拭输，渝征了这些阴阴在一定开度范围内可以部分开启，突破了青本主义国家一般将高压阐阴的部分开启限制在75叹(23米)水头以下的规定.

9.根据佛子岭水康泄洪锢管等圃P弓后通气管进气量的原型观侧青料，初步箫征了闹阴后通气管的合理尺寸，在没舒工作中可参考康拜尔和卡林斯基两公式;通气量的测定，采用毕托管法较孔板法为优.

10.由于高速水流研究任务的提出，带动了电测仪器献制砰碑龙工作的开展，

如目前已就制成功磁电式振动仪、电阻式加速度仪、电阻式诊气仪、下射钱博气仪、电威式脉动压力戚应器、电诚式高流速仪、弹式高流速仪等，对于开展高速水流研究工作起一定的作用.

四、 高速水流会产生问题：

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。

五、发展方向

配合大规模的水利水电建殷高潮，对于水工建筑物的高速水流周题，包括消

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