高速水流第一部分

高壩樞紐中的高速水流問題

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前1頁，總共55頁。高速水流的概念一般認為，當流速V>16~18m/s時，即認為是高速水流。有時水流流速低于此值時也會出現(xiàn)高速水流所具有的類似現(xiàn)象(空蝕、摻氣、振動、沖擊波等)。常用一些相應的無量綱數(shù)來加以描述，判定。如佛氏數(shù)Fr、雷諾數(shù)Re、空穴指數(shù)等。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前2頁，總共55頁。高速水流現(xiàn)象的基本特征①高佛氏數(shù)。高速水流均處于急流狀態(tài)，或與急流緊密相關。在溢流壩反弧處，佛氏數(shù)可高達8~10。②大雷諾數(shù)。高速水流質(zhì)點的慣性特別大，水流慣性力通常起主導作用，粘性阻力作用不明顯。僅在水流邊界層中才較顯著或同量級。③紊動強烈。高速水流的流速和動水壓強因水流質(zhì)點紊動而脈動強烈。表面容易波動，不穩(wěn)定、容易摻氣霧化。④對邊界變化非常敏感。在高佛氏數(shù)情況下，邊界的微小變化（或局部擾動）很容易產(chǎn)生沖擊波、摻氣、空穴等現(xiàn)象。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前3頁，總共55頁。高速水流運動基本方程高速水流的運動速度雖然相對較高，其仍是流體的宏觀運動，水流仍可視為連續(xù)介質(zhì)，如其含氣濃度不高，將其視為不可壓縮流體，則運動控制方程仍為Navier-Stokes方程，以時均運動的控制方程為例，引入雷諾假設，有

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前4頁，總共55頁。高速水流研究的主要問題水流脈動摻氣空化與空蝕沖擊波流激振動霧化消能防沖

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前5頁，總共55頁。一、脈動脈動的基本特征是，流場內(nèi)的水流運動要素（流速、壓力）隨著時間不斷地變化。水流脈動現(xiàn)象和規(guī)律與其水流結構相關。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前6頁，總共55頁。脈動的性質(zhì)水流分為層流和紊流，自然界的水流絕大多數(shù)為紊流。紊流是由大小不同尺度的渦體（或漩渦）所組成，在時間和空間中都是作非線性的隨機運動。大小不等的渦體布滿紊流場，有的大渦體中套著小渦體，形成一個從大尺度渦體直至最小一級渦體同時并存又互相迭加的渦體運動。渦體的最大渦體尺度與流場邊界的特征長度同數(shù)量級。(如管流中的大渦體直徑可接近于管徑；消力池內(nèi)水躍的橫軸漩渦與水深相同；橋墩后的立軸漩渦；模型花墻后的渦體等)。渦體的最小尺度約為1.0mm。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前7頁，總共55頁。小渦體在向水體內(nèi)部的傳輸過程中，有的由于水體的粘性而耗散；有的在與鄰近水體或渦體的作用中合并生成大渦體。大渦體的能量大，能夠傳輸?shù)礁h的地方。大渦體在傳輸、旋轉過程中因為能量耗損而破裂分解成許多小渦體。大渦體混雜運動的脈動周期長，振幅大，頻率低，含有的能量大，在渦體分裂時將能量傳給小渦體。小渦體脈動周期短，振幅小，頻率高，與周圍流體之間形成的相對速度大，粘性切力作用也大。所以能量損失主要通過小渦體的粘性作用完成。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前8頁，總共55頁。紊流渦體的產(chǎn)生和傳輸與其流動方式有關。邊壁流、分離流、沖擊流等不同的流動形態(tài)所產(chǎn)生的水流流動要素的脈動特性不盡相同。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前9頁，總共55頁。產(chǎn)生脈動的常見原因⑴、溢流壩面或泄槽中水流邊界層中的紊流產(chǎn)生的流速脈動和伴生邊壁壓力脈動。⑵、消能過程中水體中的強烈紊動產(chǎn)生的壓力脈動(挑流i水舌、跌流水舌、底流漩滾、面流波動、戽流漩滾)。⑶、過流邊界發(fā)生突變(如邊墻、閘墩、底板摻氣坎、門槽)，水力要素發(fā)生突變(水深、流速、壓力)或發(fā)生邊界層水流分離(渦旋、空穴)產(chǎn)生的壓力和流速脈動。⑷、水體外部的觸發(fā)因素(水面波動、摻氣、薄型建筑物的振動、管道泄水時的明滿流交替)等引起的壓力振動。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前10頁，總共55頁。挑流沖坑內(nèi)的脈動特性泄流初期的射流直接作用在沖坑底部，脈動壓強的紊動程度隨單寬泄量和下游水墊深度的增加而加大，當單寬泄量超過一定數(shù)量以后，脈動壓強的紊動程度反而降低。隨著泄流歷時的延長，泄流至單寬泄量對應的下游水深時，沖坑內(nèi)射流水舌落點的上游側脈動壓強的紊動程度和單寬泄量、下游水墊深度之間的規(guī)律同泄流初期:但下游側脈動壓強的紊動程度隨單寬泄量、下游水墊深度的增加單向加大。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前11頁，總共55頁。脈動的描述和指標脈動壓強水流脈動壓力是時間的隨機函數(shù)。在常水位下，其壓力值隨時間變化是一平穩(wěn)隨機過程。水流脈動有其數(shù)字（幅值、均方差）特征、時域特征和頻域特征。均方差反映了水流脈動程度，稱為脈動強度。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前12頁，總共55頁。埃塞俄比亞fun工程脈動壓強上圖為埃塞俄比亞fun工程豎井泄水道閘門處的脈動壓力，橫抽為時間t(S),縱軸為壓強p（kpa）。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前13頁，總共55頁。脈動頻率反映水流的脈動特性。據(jù)工程實測，水工脈動頻率一般為低頻。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前14頁，總共55頁。脈動頻率脈動頻率反映水流的脈動特性。頻譜分析認為，組成脈動過程的各個頻率不同壓強波中，相應于能量最大的頻率，即頻譜密度最大的頻率，就是對建筑物的振動起主導作用的頻率，稱為優(yōu)勢頻率。當這個頻率與被作用物體的自振頻率相近時，出現(xiàn)共振，會導致物體的破壞。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前15頁，總共55頁。三種功率譜型

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering低頻窄帶譜型

寬帶譜型

過渡型譜

當前16頁，總共55頁?？ɑ薰こ涕l門脈動壓強與功率譜

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前17頁，總共55頁。二空穴與空蝕空穴產(chǎn)生原理：一般情況下，水中的氣核隨其溫度會相應微小的脹縮。但是，當外界條件發(fā)生較大變化時，如溫度、壓力，使得氣核半徑相應發(fā)生較大的變化。當氣核的半徑變化到一定程度時，就可能因內(nèi)外壓強失去平衡而發(fā)生急劇變化，或潰滅或膨脹，稱為失穩(wěn)。在天然條件下，當流體中某點的壓強減小到飽和蒸氣壓強時，流場中的氣核膨脹，同時有蒸汽向泡內(nèi)氣化。當泡半徑大于臨界半徑（或泡內(nèi)壓強小于臨界壓強），氣核失穩(wěn)，生長為空化泡。空化泡使流體的連續(xù)性遭到破壞，同時形成充滿蒸氣和空氣的空腔?？栈蓦S水流運動到流場的高壓區(qū)域時，這些空腔隨即潰滅迅速破裂，同時還伴隨一些現(xiàn)象發(fā)生（爆烈聲，沖擊力等)。整個這一現(xiàn)象稱為空穴。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前18頁，總共55頁。圓柱型壁面附近空化過程

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineeringStep1Step2當前19頁，總共55頁?？昭〝?shù)和初生空穴數(shù)空穴最初發(fā)生時，水流中的氣核由于周圍壓力改變而迅速生長，并喪失穩(wěn)定的結果。確定空穴過程發(fā)展程度常用一個無量綱數(shù)作為指標，叫做空穴數(shù)。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前20頁，總共55頁?？昭òl(fā)展之初的表現(xiàn)形式為彼此不相連或者相連的單個氣泡組——空穴。這種形式定義為初生空穴。此時的空穴數(shù)稱為初生空穴數(shù)i。從理論上而言，某一固定邊界形式，初生空穴數(shù)i是一個固定值，是與體型相關的一個空穴數(shù)，通常由減壓模型試驗來確定?？昭〝?shù)是與水流狀態(tài)有關，初生空穴數(shù)則是與過流邊界有關。當空穴數(shù)＞初生空穴數(shù)i時，不會發(fā)生空穴；空穴數(shù)＜初生空穴數(shù)i可能會發(fā)生空穴。而且，初生空穴數(shù)越大，越容易發(fā)生空穴，從而導致空蝕。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前21頁，總共55頁?？瘴g在水工建筑物中可能出現(xiàn)的部位水工建筑物的某些邊壁輪廓急變部位或轉拆處容易發(fā)生局部負壓這些部位容易發(fā)生空蝕。反弧末端及其后的平直段是最容易發(fā)生空蝕的部位。右圖為美國鮑爾德工程泄洪隧洞空蝕破壞情況。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前22頁，總共55頁?？瘴g破壞結果當前23頁，總共55頁。改善消能工空蝕條件的措施限制負壓允許值。限制最小水流空穴數(shù)。控制不平整度。選用抗蝕性能高的護面材料。利用超空穴原理。摻氣、補水減蝕。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前24頁，總共55頁。摻氣減蝕摻氣可減輕空蝕破壞，但無統(tǒng)一理論解釋：1、從能量守恒，空泡潰滅過程中氣泡中若含有氣體分子，需消耗能量，故摻氣降低最大沖擊壓力。2、從空化數(shù)變化上講，水中摻氣后形成水汽兩相流，使水體密度減輕，水流空化數(shù)將加大，降低了空蝕的危險性。3、從空泡潰滅的物理作用上看。水中摻氣后抗拉強度降低，有利于空化形成，但空泡內(nèi)壓強較高，若空泡潰滅，空泡中的氣體將起到氣墊作用，同時水體因含有空氣而可壓縮，更對空泡潰滅時的沖擊波起到了衰減的作用，即降低了空泡潰滅時的瞬時壓力。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前25頁，總共55頁。工程上常采用的強迫通氣設施有：槽式、坎式、槽坎式、下跌式、突擴式等。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前26頁，總共55頁。三、摻氣水流在泄槽或溢流壩中流動時，水流中摻入空氣的過程叫水流摻氣。水和氣泡組成的混合體叫“摻氣水流”。摻氣水流屬于“二相流”。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前27頁，總共55頁。水流摻入空氣的原因大略可分為兩類，自然摻氣和強迫摻氣。自然摻氣是水流呈均勻緩變流動，沿程固體邊界無突然變化，沒有水流交匯，也無水躍或沖擊波等流態(tài)突變，只由于流速足夠大而發(fā)生的空氣從自由水面進入的現(xiàn)象，一般稱為自摻氣。強迫摻氣是水流受到閘槽、閘墩、升跌坎、水躍的漩滾或兩股水流交匯時，水流原有流動狀態(tài)受到破壞，引起局部強烈擾動，致使空氣摻入的過程(管道通氣孔向管內(nèi)大量吸入空氣的現(xiàn)象是由于管內(nèi)水流發(fā)生強迫摻氣的條件，故屬于強迫摻氣)。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前28頁，總共55頁。溢流面摻氣發(fā)生機理紊流邊界層發(fā)展理論：邊壁流動中，存在紊流邊界層。邊界層厚度沿溢流面流程S增加，而水深h沿流程S略有減少。當邊界層發(fā)展至水面時，即=h，水體紊動使部分質(zhì)點躍離水面。在落入水面時，同時將空氣帶入水體，使水體摻氣。隨著紊動強度增大，水體質(zhì)點呈水珠狀拋向空中，使摻氣作用加強。溢流面上的摻氣發(fā)展過程為：開始摻氣，摻氣發(fā)展，充分摻氣。根據(jù)溢流邊界層理論，當邊界層厚度＝溢流水深h處，即可認為是摻氣發(fā)生點。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前29頁，總共55頁。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering陡槽摻氣過程圖當前30頁，總共55頁。水流摻氣后對工程的影響摻氣水流的運動規(guī)律與不摻氣水流不同，它對水工建筑物的影響也不同。歸納起來，水摻氣后對工程的影響主要有以下幾點:(1)、水流摻氣造成水體膨脹，使水深明顯增加，若設計的估計不足，會造成水流漫溢邊墻，影響泄水道的安全運行。由于水深的明顯增加，從而使泄水道邊墻加高，提高了工程造價。(2)、在無壓泄洪隧洞中，如果對摻氣的影響估計不足，洞頂凈空面積預留太小時，還可能產(chǎn)生有壓流與無壓流的交替，水流不斷沖擊洞壁，威脅洞身安全。(3)、增大水流脈動壓力，從而加大建筑物的瞬時荷載，也增加了建筑物振動的可能性，特別是強迫摻氣，如高水頭隧洞進口的立軸漩渦卷入空后，可在泄水道中形成較大的氣囊，加大了水流的脈動與振動，可能帶來一定的破壞作用。(4)、水流摻氣后，水面上水花飛濺，給工程管理工作造成不便，給各種建筑物及電氣設備的布置帶來困難。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前31頁，總共55頁。(5)、泄水建筑物中的水流摻氣后可以增強消能效果，減輕水流對下游河床的沖刷。(6)、摻氣水流可減免空蝕的破壞作用。據(jù)試驗，當摻氣濃度達到3一7%就可以起到減免空蝕的作用，當摻氣濃度達到10%，則可完全減免空蝕。(7)、水流摻氣后，流速分布發(fā)生了很大變化，氣泡懸移區(qū)的平均流速大于不摻氣水流的平均流速，使自摻氣水流的鼻坎挑流的挑距增大。(8)、泄水建筑物水流摻氣對河流的復氧也有明顯效果，可改善水環(huán)境的質(zhì)量。 由此可見，摻氣水流對泄水建筑物的作用與影響，有有利的一面，也有不利的一面，我們要充分認識、運用這些規(guī)律，利用其有利的一面，抑制其不利的一面。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前32頁，總共55頁。摻氣計算摻氣水流中的空氣泡在水體中受到三方面影響而運動：①向上的浮力；②縱向流速的拖曳力；③紊動傳輸力。將氣泡看作紊動傳輸物質(zhì)，且假定隨水流的跟隨性好（即氣泡的縱向運動速度等于水流流速)。摻氣濃度計算可按下式紊動擴散方程計算，它既可用于表面自然摻氣和底部強迫摻氣。含氣濃度沿流程傳輸有均化分布的趨勢。底部濃度小于上部濃度。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前33頁，總共55頁。四、沖擊波在泄槽中，由于邊界條件改變而形成的水面擾動波稱為沖擊波。邊墻產(chǎn)生的擾動波不能向上游傳播，向其對面邊壁傳播的同時隨水流帶向下游。在平面上可見一條擾動線，稱為波前線。波前線與來流方向的夾角叫波角。波前線將水流分為擾動區(qū)和未擾動區(qū)。邊墻向內(nèi)偏轉使局部水深增加，稱為正擾動波；向外偏轉使局部水深減小，稱為負擾動波。沖擊波是一種行進波，當它傳到對側邊壁后會形成反射波。在直槽中，沖擊波的反射呈菱形狀。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前34頁，總共55頁。閘后沖擊波示意圖

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前35頁，總共55頁。沖擊波對水工建筑物的影響影響流態(tài)；增加水面高度；改變底板壓力分布情況；水體能量局部集中

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前36頁，總共55頁。不同閘墩尾部結構下的沖擊波

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前37頁，總共55頁。模型上的閘后沖擊波

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering平尾墩斜尾墩當前38頁，總共55頁。模型上的閘后沖擊波

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineeringA-A斷面流速矢量圖AA當前39頁，總共55頁。斷波理論計算沖擊波在平面流場圖上建立動坐標系，其原點沿水流流向（x向）以速度v1運動。在動坐標系中，未擾動水流在x，y向的流速為零。垂直于x軸取一微條。在直墻段，左邊墻在微條中靜止不動。在邊墻偏轉段，邊墻在微條中以速度vy沿ｙ軸運動并推動水體。這時，水面產(chǎn)生一局部壅高h，形成一個擾動波，并以波速ω與邊墻同向行進。此波類同于明渠非恒定流的順行漲水斷波。其性質(zhì)是收斂的，即波鋒前沿陡峭。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前40頁，總共55頁。為計算方便，將其轉化為恒定流形式。用速度等于波速ω的動坐標置于微條中，即可將微條化成恒定流問題。假定：①斷波前后壓力沿水深均呈靜水壓力分布；②不考慮鉛直方向的流速；③不計及底部摩擦阻力。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前41頁，總共55頁。在t時間內(nèi)，水體動量變化M＝/g｛(－Vy)2（h1＋h）－2h1｝t水體受到的力F＝/2｛h2-(h＋h)2｝由連續(xù)性方程(－Vy)(h＋h)＝h動量守恒原理M／t＝F2＝g(h1＋h)(2h1＋h)/2h相對波高ξ=h／h1

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前42頁，總共55頁。將上述幾式聯(lián)立求解，得到：

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前43頁，總共55頁。泄槽設計收縮段的設計合理的收縮段體型要求：①引起的沖擊波波高最??；②盡量減小或消除收縮段以下泄槽中水流的擾動。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前44頁，總共55頁。擴散段的設計邊墻擴散角不能太大，否則在邊墻偏轉處發(fā)生脫流現(xiàn)象，產(chǎn)生局部渦漩。但是擴散角也不能太小，否則擴散段太長，不經(jīng)濟。平底明渠擴散段（突擴漸擴）陡坡明渠擴散段反?。ò迹┣嫔系募ち鲾U散

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前45頁，總共55頁。平面轉彎段設計平面彎曲段可看作邊墻連續(xù)向一側偏轉。凹側邊墻為連續(xù)向內(nèi)偏轉，不斷擾動水流，形成正擾動波，邊墻處水深不斷增加。凸側邊墻為連續(xù)向外偏轉，形成負擾動波。邊墻處水深不斷減小。到負擾動波傳播到對面邊墻時，凹側邊墻的水深達到最大值。受到負波的影響，邊墻處水深不斷下落，直到正波重新反射回來，水深重新增加。凸側邊墻的情況正好相反。水面呈現(xiàn)一系列菱形沖擊波。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering當前46頁，總共55頁?？朔澋罌_擊波的措施從原理上說有兩類：1、給槽內(nèi)所有流線都施加一個側力，使水流平衡不受干擾2、在彎段的起點和終點引入另一種干擾，使原干擾得以抵消。A、渠底抬高法。使槽底具有與水面平行的橫向坡降，從而使沿橫向坡度的重力分量與離心力等值反相而達到平衡。B、干擾處理法（復曲線法、斜導流屏法、斜導流摻氣坎法、螺旋線法）此外，消波墩，人工加糙等也不失為控制急流的有效方法。

CollegeofWaterResourcesandHyd