第十五章 水工建筑物的高速水流
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 层流:液体质点以平行而不相混杂的方式流动。(v较小) 水流的两种运动状态 紊流:液体质点的轨迹杂乱无章,质点相互混杂、磁撞。(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。 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、局部区城雾流强 降雨、急流冲击波及滚浪等现象的单独或综合岀现,此时 的水流称为高速水流。常规的水力学方法就不再适用 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,如谥流坝、泄水陡槽、泄洪隧洞、放水底孔等
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 流的雾流打散段为水-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;露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
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 动。 咏压强的 2发生气蚀现新课题:1920年代,高速水 含被拨蚀 流问题开始突出,经验不成熟 龙减轻 气蚀的破1 3.发生掺 理论不完善,距离解决实际 量空气 变成乳日 不再适用。 问题还有一定差距。 小学公式也就 么条件下小 必钥么响,掺气水深如何 计算等问题。 4.发生浪浪——由流速快,刁惯性特别大,固体边界的变化对水流的影响 就非常敏感。即使侧壁几何条代微小的变化也可使水面产生波浪,这种波浪叫 做冲击浪。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 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
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。 3．发生掺气现象——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。 4．发生波浪——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 工程笑例 印度巴克拉顼右岸导流灌溉隧润断而为3.3米×6.6米 设平面.1959年8月发生一场特大季风,使施工才完成 半的大坝发生漫顶溢流,下游水位璨增,封住隧洞出口,致 使隧洞不能从下游进行通气。此时,闸门及间室均发现强烈 振动,出于闸门未能关闭到底振动更加剧烈,结果使闸门破 坏,闸室混凝土底板破裂,水流涌进间室后通过检修底道进入 电厂厂房,淹没机组,造成了严重事故。在国内,建筑物发生 振动破坏的严重事故尚末出现但影响闸门的正常操作,或个 别零部件的损坏3也是屡见不鲜的 当拱坝顶部过水水电站厂房顶部溢流、闸孔出流以及其 它轻型水工建筑物过水时。都能观测到不同程度的振动.引 起这些轻型结构振动的晨源可体现为水流的脉动压力,下面 首先讨论高速水流的脉动现象
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
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
幅域分析 幅域分析是分析样本的统计特征值.设运动要素x是时间t的随机函数x(t),通过离散 化,可得样本的各瞬时值x(t;),则样本的均值均方值、方差和标准差分别为 均值: (]5.1) 式中:N一样木容量,N=T/A. 均方值: Y N24(t, ) (15.2) 方差 D=∑x(t)-z (15,3) 标准差: D脉动强度 (15.4 时域分析 随机过程的时域分析,实质上是随机波形的相关分析,即求其自相关函数运动要素x(t) 的自相关函数R(r)定义为 R,(x) 7,(t)x(1+r)d (15.5) 物理意义:反映了紊流场中涡伓的某种尺度,超过这一尺度,不应再存在相关 即相关函数趋于零
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水工建筑物的空蚀工程实例 一、空蚀(气蚀)的危害 高水头泄水建筑的某些部位如泄洪隧洞进口段的收缩部分、闸门槽后的边 墙、隧洞的转弯段、溢流坝顶部或坝面不平整处以及消力齿槛等,当通过高速水 流以后,常发现固体表面被严重剥蚀和破坏,这种现象称为气蚀。国内外泄水建 筑物发生气蚀破坏的实例不少。例如美国包尔德坝东岸泄洪隧洞第一次放水流 量仅达原设计的五分之一,由于气蚀作用却使隧洞转弯处混凝土被剥蚀,产生 个长35m、宽9.2m、最大深度达13.7m的大坑。又如苏联伏尔加水电站溢流 坝,有一孔左侧闸墩受到气蚀破坏,闸墩钢筋都暴露出来,形成深达1m的坑穴。 我国某溢流坝的导流底孔,因汛期来不及堵塞,超过设计水头泄洪130天以后, 检査发现产生严重的气蚀破坏,使厚3m的钢筋混凝土墩墙穿了一个大洞,同时 孔顶及另外两个墩墙表面混凝土也被剥蚀,被剥蚀的混凝土总量达280m3之
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 高速水流的高度紊动,可将低压区放出来的气泡随流带走,当带到下游高压 区时,由于内外压差迫使气泡突然溃灭,气泡溃灭过程,时间极短,只有几百分之 一秒,四周的水流质点以极快的速度去填充气泡空间,以致这些水流质点的动量 在几乎无穷小的时间内变为零,因此产生了巨大的冲击力,其大小有几个甚至几 十个大气压,这种巨大的冲击力不停地冲击着固体边界,使固体表面造成严重的 剥蚀,这是产生气蚀的根本原因。 ◆因空穴溃灭的冲击压强,导致边壁材料拔蚀的现象称为空蚀。 发生空蚀的前提—产生空穴
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: K=b-p=P一p (15.6) P<=Py R 如考虑脉动压强p对空穴数影响则空穴数可表示为 K′=p-p)-p (15.7) 2 式中b一参考点的时均压强;p一该点脉动压强值.Pv蒸汽压强 考虑了脉动压强影响使之空穴数较未考虑脉动压强的空穴数小 开始产生完穴时的水流空穴数称为初生空穴数或称临界空穴数,用K表示.因此,空穴 发生的条件又可表示为 K≤K (15.8) 初牛空穴数大,容易发生空穴;反之,不容易发生空穴
二、判断空穴的指标——空穴数 空穴发生条件： P<=Pv Pv:蒸汽压强