文档介绍：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
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。
——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。
——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:工程实例
紊流的主要特征:任意一点的运动要素(动水压强、流速等)具有脉动现象,为随机过程,其描述方法为
1. 时均值——不能满足高速水流专题的研究需要
2. 利用概率论和随机过程的有关理论进行分析处理。
运动要素随机过程的成因:紊动的水流中存在着许多尺度大小不等的涡体,涡体的运动导致运动要素的脉动,大尺度的涡体:振幅大频率低;小尺度的涡体:振幅小频率高。最终构成了运动要素的随机过程。
脉动强度
物理意义:反映了紊流场中涡体的某种尺度,超过这一尺度,不应再存在相关,
即相关函数趋于零。
15-3 水工建筑物的空蚀
一、空蚀(气蚀)的危害
工程实例
空穴和空蚀的概念
液体内部发生汽化形成空泡的现象称为空穴。
因空穴溃灭的冲击压强,导致边壁材料拨蚀的现象称为空蚀。
发生空蚀的前提——产生空穴。
二、判断空穴的指标——空穴数
空穴发生条件:P<=Pv
Pv:蒸汽压强。