急流沖擊波和滾波課件

1、第八章 急流沖擊波與滾波8.1概述在急流中，由于邊界條件的變化使水流產(chǎn)生擾動(dòng)，下游形成一系列呈菱形的擾動(dòng)波，這種波稱為急流沖擊波。在底坡坡度大于臨界底坡坡度數(shù)倍的平直陡槽中，若槽身較寬，水深較淺，每隔一段距離后，出現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)波，其波前橫貫渠槽，波速大于水流流速，時(shí)常還會(huì)出現(xiàn)較大的波追上較小的波及較小的波合并成較大的波，這種波動(dòng)稱為滾波，發(fā)生滾波的水流稱為超急流。沖擊波對水利水電工程有兩方面不利影響：1、沖擊波使水流局部壅，故邊墻必須加高，從而加大了工程造價(jià)；2、沖擊波傳播到下游出口處，使水流部分集中增加了消能的困難。8.2急流沖擊波的形成及數(shù)學(xué)描述8.2.1 急流沖擊波的形成急流具有很大的慣

2、性，當(dāng)遇到邊墻偏轉(zhuǎn)的阻礙，便使邊墻受到?jīng)_擊作用，邊墻也對水流施加反力，迫使水流沿邊墻轉(zhuǎn)向，產(chǎn)生動(dòng)量變化，造成水面的局部擾動(dòng)。這種擾動(dòng)以波的形式在明槽內(nèi)傳播。由于急流受到邊界擾動(dòng)而形成的劃分?jǐn)_動(dòng)區(qū)域的斜線稱為擾動(dòng)線。擾動(dòng)線和原水流運(yùn)動(dòng)方向的夾角1稱為擾動(dòng)角。邊界的變化是急流中產(chǎn)生沖擊波的外因，而急流的巨大慣性則是產(chǎn)生沖擊波的內(nèi)因。8.2.2 小波高急流沖擊波的計(jì)算沖擊波形成后，水流的水深、流速的變化及波角的大小顯然與水流原來的性質(zhì)及引起擾動(dòng)的外在條件有關(guān)。水流的水深、流速的變化可用擾動(dòng)前水流的弗勞德數(shù)表示，波角的大小主要是邊墻的偏轉(zhuǎn)角。對于小波高急流沖擊波，由于波高很小，近似考慮h1=h2，此時(shí)

3、的水力要素可通過下式得出式中，為邊墻最終偏轉(zhuǎn)角，F(xiàn)r為總偏轉(zhuǎn)角對應(yīng)的值， 1為積分常數(shù)，當(dāng)=0時(shí)，F(xiàn)r為邊墻發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)的Fr。8.2.3 大波高急流沖擊波的計(jì)算如果沖擊波波峰陡峻，擾動(dòng)線兩側(cè)水深相差較大，波角就不能用上式進(jìn)行簡化計(jì)算，同時(shí)在波峰上也有能量損失。此時(shí)，通過下列兩式確定大波高急流沖擊波水力要素。8.2.4 沖擊波的反射與干擾水流沿一側(cè)偏轉(zhuǎn)的邊墻的流動(dòng)，而末考慮對岸邊墻傳來的擾動(dòng)的影響。實(shí)際上，在泄水建筑物中由兩岸邊墻產(chǎn)生的沖擊波相互干擾，使波加強(qiáng)或減弱，從而在下游形成復(fù)雜的擾動(dòng)波形圖。根據(jù)沖擊波之間反射與干擾的原理，可以設(shè)法消除擾動(dòng)波。A點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)波(水面跌落)，以波角橫穿渠槽傳

4、到B點(diǎn)，B點(diǎn)反射的負(fù)波擾動(dòng)線將與B點(diǎn)因邊墻向內(nèi)偏轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的正波(水面蠻高)擾動(dòng)線相重合，正、負(fù)波相互抵消，所以不再有擾動(dòng)產(chǎn)生。8.3急流收縮段沖擊波計(jì)算8.3.1 急流收縮段的合理曲線對于長度相同的同一收縮段，緩流時(shí)收縮段采用漸變曲線連接時(shí)水流流態(tài)最好。在通過急流的直槽中，一般采用兩側(cè)對稱的逐漸收縮的邊墻，可以是直線收縮段和兩個(gè)反圓弧漸變收縮段。急流中邊墻收縮產(chǎn)生沖擊波的最大波高是由總偏轉(zhuǎn)角決定，和邊墻的偏轉(zhuǎn)過程無關(guān)。對于長度相同的收縮段，直線收縮段的總偏角 比單曲線漸變收縮段的總偏角 及反曲線漸變收縮段的總偏角 都要小，因此，直線收縮段的沖擊波最低。8.3.2 直線收縮段沖擊波的計(jì)算一般已知

5、確定 。8.4急流擴(kuò)散段沖擊波計(jì)算明渠急流擴(kuò)散段的主要擴(kuò)散形式有三類：1、平底明渠擴(kuò)散段；2、陡坡明渠擴(kuò)散段；3、反弧(凹曲面)段。8.4.1 平底明渠擴(kuò)散段1、平底明渠突擴(kuò)段對于突擴(kuò)在有限寬度的槽道內(nèi)2、平底明渠漸擴(kuò)段邊墻曲線的最佳形式為：2、平底明渠漸擴(kuò)段邊墻曲線的最佳形式為： 對于不同b2/b1，邊墻形式如圖。3、圓形隧洞出口后的矩形擴(kuò)散段明渠擴(kuò)散段邊界計(jì)算方法： 擴(kuò)散點(diǎn)位置： 擴(kuò)散角：x為隧洞出口至邊墻擴(kuò)散點(diǎn)的距離，d為隧洞直徑，F(xiàn)r1為隧洞出口處水流弗勞德數(shù)。8.4.2 陡坡明渠擴(kuò)散段適用于p=0.510m，tan=1/1.51/5。8.5急流彎道沖擊波計(jì)算8.5.1 急流彎道沖擊波

6、形態(tài)8.5.2 較大半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算1、試驗(yàn)結(jié)果8.5.2 較大半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算2、小擾動(dòng)法理論成果水平彎道最大水深與上游來流水深之差擾動(dòng)周期8.5.2 較大半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算2、小擾動(dòng)法理論成果縱向底坡為的彎道最大水深與上游來流水深之差擾動(dòng)周期8.5.2 較大半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算2、小擾動(dòng)法理論成果水平彎道最大水深與上游來流水深之差擾動(dòng)周期8.5.3 較小半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算對于小半徑的寬淺式彎道，當(dāng)彎道半徑與渠寬之比于r0/b10，急流水深與渠寬之比較小，且底坡較大，則流經(jīng)彎道的水流在凹岸因沖擊而破裂，在凸岸則脫離邊墻，甚至還會(huì)出現(xiàn)局露底現(xiàn)象，此時(shí)最

7、大水深可能位于彎道末端，嚴(yán)重者甚至位于下游直槽中。建議估算最大水深hm的經(jīng)驗(yàn)公式為估算最大水深出現(xiàn)縱向位置的經(jīng)驗(yàn)公式為：8.5.4 彎道上急流沖擊波的控制為了控制沖擊波的形成而加高邊墻是不經(jīng)濟(jì)的，因此設(shè)計(jì)急流陡槽宜盡量避免設(shè)置彎道段，以免造成沖擊波超高。從沖擊波的特性出發(fā)考慮合理的消減沖擊波的方法。主要有兩種方法： 復(fù)合曲線法、槽底橫向超高法。8.5.4 彎道上急流沖擊波的控制1、復(fù)合曲線法由于擾動(dòng)波有正有負(fù)，因此可以考慮加入擾動(dòng)波，使新加擾動(dòng)波與原擾動(dòng)波之間相互干涉達(dá)到消減的目的。復(fù)合曲線法即在此思路上引入兩段曲線，分別位于曲線段的前后進(jìn)行消減沖擊波，引入曲線段的曲率半徑為原曲線段半徑的兩倍

8、，中心角應(yīng)為：8.5.4 彎道上急流沖擊波的控制2、槽底橫向超高法該法是從消除邊墻對水流造成的擾動(dòng)來考慮。由彎道曲線段的起點(diǎn)逐漸降低槽底的內(nèi)側(cè)，或抬高外側(cè)，或聯(lián)合進(jìn)行，以形成一定的橫向坡度，這樣便有重力沿橫向坡度方向的分力作用于水流的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，使其有向心的加速度能夠自由轉(zhuǎn)彎。這時(shí)邊墻對水流的作用和在直段一樣，不另外施加側(cè)力迫使水流轉(zhuǎn)向，因此就不會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)。槽底橫向坡度為：8.6滾波現(xiàn)象滾波與沖擊波是完全不同的。沖擊波是由于邊界改變而產(chǎn)生，其波動(dòng)形狀及位置都是固定的。而滾波則破壞了水流的恒定狀態(tài)。滾波的產(chǎn)生使陡槽水面突然升高，要求邊墻加高；同時(shí)，增加了下游消能的困難。在一般陡槽中，水流在重力、慣性