第十五章 水工建筑物的高速水流
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 层流:液体质点以平行而不相混杂的方式流动。(v较小) 水流的两种运动状态 紊流:液体质点的轨迹杂乱无章,质点相互混杂、磁撞。(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、局部区城雾流强 降雨、急流冲击波及滚浪等现象的单独或综合岀现,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,如谥流坝、泄水陡槽、泄洪隧洞、放水底孔等
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 流的雾流打散段为水-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;露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
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 动。 咏压强的 2发生气蚀现新课题:1920年代,高速水 含被拨蚀 流问题开始突出,经验不成熟 龙减轻 气蚀的破1 3.发生掺 理论不完善,距离解决实际 量空气 变成乳日 不再适用。 问题还有一定差距。 小学公式也就 么条件下小 必钥么响,掺气水深如何 计算等问题。 4.发生浪浪——由流速快,刁惯性特别大,固体边界的变化对水流的影响 就非常敏感。即使侧壁几何条代微小的变化也可使水面产生波浪,这种波浪叫 做冲击浪。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 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
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。 新课题：1920年代，高速水 流问题开始突出，经验不成熟 ，理论不完善，距离解决实际 问题还有一定差距
15-2运动要素的数据处理 脉动压强的危害 工程笑例 印度巴克拉顼右岸导流灌溉隧润断而为3.3米×6.6米 设平面.1959年8月发生一场特大季风,使施工才完成 半的大坝发生漫顶溢流,下游水位璨增,封住隧洞出口,致 使隧洞不能从下游进行通气。此时,闸门及间室均发现强烈 振动,出于闸门未能关闭到底振动更加剧烈,结果使闸门破 坏,闸室混凝土底板破裂,水流涌进间室后通过检修底道进入 电厂厂房,淹没机组,造成了严重事故。在国内,建筑物发生 振动破坏的严重事故尚末出现但影响闸门的正常操作,或个 别零部件的损坏3也是屡见不鲜的 当拱坝顶部过水水电站厂房顶部溢流、闸孔出流以及其 它轻型水工建筑物过水时。都能观测到不同程度的振动.引 起这些轻型结构振动的晨源可体现为水流的脉动压力,下面 首先讨论高速水流的脉动现象
15-2 运动要素的数据处理 脉动压强的危害 ：工程实例