急流沖擊波和滾波課件

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(chēng)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(chēng)為滾波，發(fā)生滾波的水流稱(chēng)為超急流。第八章急流沖擊波與滾波1沖擊波對(duì)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。第八章急流沖擊波和滾波課件28.2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(duì)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(xiàn)稱(chēng)為擾動(dòng)線(xiàn)。擾動(dòng)線(xiàn)和原水流運(yùn)動(dòng)方向的夾角β1稱(chēng)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急流沖擊波的形成及數(shù)學(xué)描述38.2.2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(lái)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。8.2.2小波高急流沖擊波的計(jì)算4對(duì)于小波高急流沖擊波，由于波高很小，近似考慮h1=h2，此時(shí)的水力要素可通過(guò)下式得出式中，θ為邊墻最終偏轉(zhuǎn)角，F(xiàn)r為總偏轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的值，θ1為積分常數(shù)，當(dāng)θ=0時(shí)，F(xiàn)r為邊墻發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)的Fr。對(duì)于小波高急流沖擊波，由于波高很小，近似考慮h1=h2，此時(shí)58.2.3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(xiàn)兩側(cè)水深相差較大，波角就不能用上式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)在波峰上也有能量損失。此時(shí)，通過(guò)下列兩式確定大波高急流沖擊波水力要素。8.2.3大波高急流沖擊波的計(jì)算68.2.4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(duì)岸邊墻傳來(lái)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)，以波角橫穿渠槽傳到B點(diǎn)，B點(diǎn)反射的負(fù)波擾動(dòng)線(xiàn)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(xiàn)相重合，正、負(fù)波相互抵消，所以不再有擾動(dòng)產(chǎn)生。8.2.4沖擊波的反射與干擾78.3急流收縮段沖擊波計(jì)算8.3.1急流收縮段的合理曲線(xiàn)對(duì)于長(zhǎng)度相同的同一收縮段，緩流時(shí)收縮段采用漸變曲線(xiàn)連接時(shí)水流流態(tài)最好。在通過(guò)急流的直槽中，一般采用兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的逐漸收縮的邊墻，可以是直線(xiàn)收縮段和兩個(gè)反圓弧漸變收縮段。8.3急流收縮段沖擊波計(jì)算8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(guò)程無(wú)關(guān)。對(duì)于長(zhǎng)度相同的收縮段，直線(xiàn)收縮段的總偏角

比單曲線(xiàn)漸變收縮段的總偏角

及反曲線(xiàn)漸變收縮段的總偏角都要小，因此，直線(xiàn)收縮段的沖擊波最低。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98.3.2直線(xiàn)收縮段沖擊波的計(jì)算一般已知確定。8.3.2直線(xiàn)收縮段沖擊波的計(jì)算一般已知108.4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(lèi)：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急流擴(kuò)散段沖擊波計(jì)算118.4.1平底明渠擴(kuò)散段1、平底明渠突擴(kuò)段對(duì)于突擴(kuò)在有限寬度的槽道內(nèi)8.4.1平底明渠擴(kuò)散段122、平底明渠漸擴(kuò)段邊墻曲線(xiàn)的最佳形式為：2、平底明渠漸擴(kuò)段132、平底明渠漸擴(kuò)段邊墻曲線(xiàn)的最佳形式為：對(duì)于不同b2/b1，邊墻形式如圖。2、平底明渠漸擴(kuò)段143、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)。3、圓形隧洞出口后的矩形擴(kuò)散段158.4.2陡坡明渠擴(kuò)散段適用于p=0.5～10m，tanδ=1/1.5～1/5。8.4.2陡坡明渠擴(kuò)散段168.5急流彎道沖擊波計(jì)算8.5.1急流彎道沖擊波形態(tài)8.5急流彎道沖擊波計(jì)算178.5.2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188.5.2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(lái)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198.5.2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α的彎道最大水深與上游來(lái)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208.5.2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(lái)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218.5.3較小半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算對(duì)于小半徑的寬淺式彎道，當(dāng)彎道半徑與渠寬之比于r0/b＜10，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：8.5.3較小半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算228.5.4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(xiàn)法、槽底橫向超高法。8.5.4彎道上急流沖擊波的控制238.5.4彎道上急流沖擊波的控制1、復(fù)合曲線(xiàn)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(xiàn)法即在此思路上引入兩段曲線(xiàn)，分別位于曲線(xiàn)段的前后進(jìn)行消減沖擊波，引入曲線(xiàn)段的曲率半徑為原曲線(xiàn)段半徑的兩倍，中心角應(yīng)為：8.5.4彎道上急流沖擊波的控制248.5.4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(duì)水流造成的擾動(dòng)來(lái)考慮。由彎道曲線(xiàn)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(duì)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：8.5.4彎道上急流沖擊波的控制258.6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。8.6滾波現(xiàn)象26在一般陡槽中，水流在重力、慣性力及摩阻力作用下維持平衡。當(dāng)局部干擾引起波動(dòng)后，由于摩阻力的作用，波高逐漸衰減至消失。在底坡較大的陡槽中，重力的分力及慣性力大，摩阻力相對(duì)減小，摩阻力不足以衰減擾動(dòng)波。波高反而不斷沿流程增長(zhǎng)，就形成了滾波。因此，陡槽摩阻力相對(duì)太小是形成滾波的根本原因。在一般陡槽中，水流在重力、慣性力及摩阻力作用下維持平衡。當(dāng)局27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(chēng)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(chēng)為滾波，發(fā)生滾波的水流稱(chēng)為超急流。第八章急流沖擊波與滾波28沖擊波對(duì)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。第八章急流沖擊波和滾波課件298.2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(duì)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(xiàn)稱(chēng)為擾動(dòng)線(xiàn)。擾動(dòng)線(xiàn)和原水流運(yùn)動(dòng)方向的夾角β1稱(chēng)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急流沖擊波的形成及數(shù)學(xué)描述308.2.2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(lái)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。8.2.2小波高急流沖擊波的計(jì)算31對(duì)于小波高急流沖擊波，由于波高很小，近似考慮h1=h2，此時(shí)的水力要素可通過(guò)下式得出式中，θ為邊墻最終偏轉(zhuǎn)角，F(xiàn)r為總偏轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的值，θ1為積分常數(shù)，當(dāng)θ=0時(shí)，F(xiàn)r為邊墻發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)的Fr。對(duì)于小波高急流沖擊波，由于波高很小，近似考慮h1=h2，此時(shí)328.2.3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(xiàn)兩側(cè)水深相差較大，波角就不能用上式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)在波峰上也有能量損失。此時(shí)，通過(guò)下列兩式確定大波高急流沖擊波水力要素。8.2.3大波高急流沖擊波的計(jì)算338.2.4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(duì)岸邊墻傳來(lái)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)，以波角橫穿渠槽傳到B點(diǎn)，B點(diǎn)反射的負(fù)波擾動(dòng)線(xiàn)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(xiàn)相重合，正、負(fù)波相互抵消，所以不再有擾動(dòng)產(chǎn)生。8.2.4沖擊波的反射與干擾348.3急流收縮段沖擊波計(jì)算8.3.1急流收縮段的合理曲線(xiàn)對(duì)于長(zhǎng)度相同的同一收縮段，緩流時(shí)收縮段采用漸變曲線(xiàn)連接時(shí)水流流態(tài)最好。在通過(guò)急流的直槽中，一般采用兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的逐漸收縮的邊墻，可以是直線(xiàn)收縮段和兩個(gè)反圓弧漸變收縮段。8.3急流收縮段沖擊波計(jì)算35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(guò)程無(wú)關(guān)。對(duì)于長(zhǎng)度相同的收縮段，直線(xiàn)收縮段的總偏角

比單曲線(xiàn)漸變收縮段的總偏角

及反曲線(xiàn)漸變收縮段的總偏角都要小，因此，直線(xiàn)收縮段的沖擊波最低。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368.3.2直線(xiàn)收縮段沖擊波的計(jì)算一般已知確定。8.3.2直線(xiàn)收縮段沖擊波的計(jì)算一般已知378.4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(lèi)：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急流擴(kuò)散段沖擊波計(jì)算388.4.1平底明渠擴(kuò)散段1、平底明渠突擴(kuò)段對(duì)于突擴(kuò)在有限寬度的槽道內(nèi)8.4.1平底明渠擴(kuò)散段392、平底明渠漸擴(kuò)段邊墻曲線(xiàn)的最佳形式為：2、平底明渠漸擴(kuò)段402、平底明渠漸擴(kuò)段邊墻曲線(xiàn)的最佳形式為：對(duì)于不同b2/b1，邊墻形式如圖。2、平底明渠漸擴(kuò)段413、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)。3、圓形隧洞出口后的矩形擴(kuò)散段428.4.2陡坡明渠擴(kuò)散段適用于p=0.5～10m，tanδ=1/1.5～1/5。8.4.2陡坡明渠擴(kuò)散段438.5急流彎道沖擊波計(jì)算8.5.1急流彎道沖擊波形態(tài)8.5急流彎道沖擊波計(jì)算448.5.2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458.5.2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(lái)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468.5.2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α的彎道最大水深與上游來(lái)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478.5.2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(lái)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488.5.3較小半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算對(duì)于小半徑的寬淺式彎道，當(dāng)彎道半徑與渠寬之比于r0/b＜10，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：8.5.3較小半徑情況下急流沖擊波的計(jì)算498.5.4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(xiàn)法、槽底橫向超高法。