第1章 高速水流 概述.pdf

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1、第第11章章概述概述水利與生態(tài)工程學(xué)院張強(qiáng)學(xué)習(xí)提示1、平時(shí)成績(jī)平時(shí)成績(jī)主要是出勤（點(diǎn)名），占總評(píng)成績(jī)的30%。2、學(xué)習(xí)參考資料《高速水流》劉士和科學(xué)出版社《高速水力學(xué)》李建中西北工業(yè)大學(xué)出版社《現(xiàn)代水力學(xué)工程湍流數(shù)值模擬及其應(yīng)用》倪浩清中國(guó)水利水電出版社《明槽急變流：理論和在水工中的應(yīng)用》余常昭清華大學(xué)出版社《負(fù)壓與高速水流情況下的過水建筑物設(shè)計(jì)問題》中國(guó)工業(yè)出版社《泄水工程與高速水流》吉林科學(xué)技術(shù)出版社3、授課計(jì)劃32學(xué)時(shí)（具體見授課計(jì)劃表）。一、層流與紊流的本質(zhì)區(qū)別1、紊流運(yùn)動(dòng)是由大小不等的渦體所組成的無規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，其物理量(如流速

2、、壓強(qiáng)及溫度等)存在脈動(dòng)，即對(duì)時(shí)間和空間而言的不規(guī)則變化。2、紊流的輸運(yùn)能力(用紊動(dòng)黏性系數(shù)來表示)要比分子的輸運(yùn)能力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。注：紊動(dòng)黏性系數(shù)又稱為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)。3、紊流常在高雷諾數(shù)下發(fā)生，可將其視為層流的非穩(wěn)定性發(fā)展，且紊流中通過小渦體的摻混運(yùn)動(dòng)造成很大的能量耗損。二、高速水流的定義如果水流運(yùn)動(dòng)速度足夠高，以至于水流紊動(dòng)強(qiáng)烈和劇烈摻氣，并可能導(dǎo)致空蝕破壞、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、局部區(qū)域霧流強(qiáng)降雨、急流沖擊波及滾波等現(xiàn)象的單獨(dú)或綜合出現(xiàn)，此時(shí)的水流稱為高速水流。習(xí)慣上常將流速達(dá)到15～20m／s以上的水流稱為高速水流。三、高速水流的流動(dòng)特性1、高

3、速水流通常為復(fù)雜邊界條件下的多相體系紊流。如摻氣水流為水一氣兩相流；霧化水流的霧流擴(kuò)散段為氣一水兩相流等。2、高速水流與過流邊界之間的相互作用更加突出。如流激振動(dòng)中存在水流與固體邊界的流固耦合；渠道中邊墻的偏轉(zhuǎn)可導(dǎo)致急流沖擊波的形成；霧化水流中的霧流降雨在很大程度上依賴于下游地形等。此外，由高速水流形成的空蝕破壞甚至還將導(dǎo)致水流邊界的改變。3、高速水流中慣性力的作用更加突出。由于高速水流具有如上特點(diǎn)，如在設(shè)計(jì)或施工中不加以注意，其有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物或水力機(jī)械工作條件的惡化，甚至破壞。研究高速水流的目的正在于防范其可能導(dǎo)致的危害。四、高速水流存

4、在的特殊水力學(xué)問題1、高速水流的紊動(dòng)與流激振動(dòng)研究高速水流紊動(dòng)的基礎(chǔ)仍然是紊流理論。高速水流中存在著多種尺度的運(yùn)動(dòng)，在三維紊流中其含能渦與耗散渦的尺度之比近似與雷諾數(shù)的9／4次方成正比。由于高速水流的雷諾數(shù)很大，其內(nèi)各種紊動(dòng)尺度共存，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，并有可能導(dǎo)致處于其中或構(gòu)成其邊界的結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)甚至破壞。因此，應(yīng)研究高速水流的紊動(dòng)特征，尤其是要弄清高速水流作用于其過流邊界上的脈動(dòng)荷載。2、高速水流的摻氣高速水流內(nèi)高強(qiáng)度紊動(dòng)的存在是導(dǎo)致其內(nèi)維持一定含氣濃度的必要與充分條件。高速水流摻氣后，水體的連續(xù)性被破壞，其原有的水力特性也相應(yīng)改變。因此，應(yīng)

5、弄清高速水流的摻氣條件及水流摻氣后水力要素的計(jì)算，以此來判別水流摻氣后對(duì)結(jié)構(gòu)可能造成的影響。3、高速水流的消能高水頭泄水建筑物上的高速水流具有巨大的動(dòng)能，如何將其進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)化，使上、下游水流以適當(dāng)?shù)男问较嚆暯邮撬姽こ讨械闹匾獑栴}之一。因此，應(yīng)研究適合具體工程特點(diǎn)的消能形式。4、空化空蝕高速水流通過泄水建筑物某些部位時(shí)，固壁常出現(xiàn)剝蝕甚至破壞現(xiàn)象。因此，應(yīng)研究高速水流空化與空蝕破壞的機(jī)理以及采用何種措施來防止或減輕空蝕的破壞作用。5、高速水流的霧化高速水流的霧化對(duì)水利水電工程的安全運(yùn)行具有潛在威脅，并有可能導(dǎo)致山體滑坡、中斷交通及閃絡(luò)

6、跳閘等事故的出現(xiàn)。因此，應(yīng)研究霧化水流的特性，采用適當(dāng)?shù)拇胧┓婪镀湮：Α?、急流沖擊波與滾波急流沖擊波是渠槽中因側(cè)墻幾何條件的變化而在水面形成的一種波。在一定條件下，即使側(cè)墻幾何形狀與尺寸不變，在槽寬水淺的陡槽中也可產(chǎn)生波，稱為滾波。急流沖擊波與滾波的出現(xiàn)改變了水流原有的運(yùn)動(dòng)特征，增加了下游消能的困難。因此，應(yīng)研究急流沖擊波與滾波的形成條件以及急流沖擊波與滾波的計(jì)算方法。五、高速水流的研究方法高速水流的研究可采用以下四種方法：理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算、原型觀測(cè)。影響高速水流的因素很多，單純的理論分析只能把握其主要影響因素。試驗(yàn)研究與原型

7、觀測(cè)目前乃至今后相當(dāng)一段時(shí)間仍然是高速水流研究的主要方法，但模型試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)工，且從技術(shù)上來看也有可能存在縮尺效應(yīng)，而原型觀測(cè)亦受場(chǎng)地及泄流條件等的限制較大。數(shù)值計(jì)算在高速水流中的應(yīng)用已有不少成果，但仍有待于進(jìn)一步深入、系統(tǒng)與完善。