高速水流第一部分

高坝枢纽中的高速水流问题

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前1页，总共55页。高速水流的概念一般认为，当流速V>16~18m/s时，即认为是高速水流。有时水流流速低于此值时也会出现高速水流所具有的类似现象(空蚀、掺气、振动、冲击波等)。常用一些相应的无量纲数来加以描述，判定。如佛氏数Fr、雷诺数Re、空穴指数等。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前2页，总共55页。高速水流现象的基本特征①高佛氏数。高速水流均处于急流状态，或与急流紧密相关。在溢流坝反弧处，佛氏数可高达8~10。②大雷诺数。高速水流质点的惯性特别大，水流惯性力通常起主导作用，粘性阻力作用不明显。仅在水流边界层中才较显著或同量级。③紊动强烈。高速水流的流速和动水压强因水流质点紊动而脉动强烈。表面容易波动，不稳定、容易掺气雾化。④对边界变化非常敏感。在高佛氏数情况下，边界的微小变化（或局部扰动）很容易产生冲击波、掺气、空穴等现象。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前3页，总共55页。高速水流运动基本方程高速水流的运动速度虽然相对较高，其仍是流体的宏观运动，水流仍可视为连续介质，如其含气浓度不高，将其视为不可压缩流体，则运动控制方程仍为Navier-Stokes方程，以时均运动的控制方程为例，引入雷诺假设，有

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前4页，总共55页。高速水流研究的主要问题水流脉动掺气空化与空蚀冲击波流激振动雾化消能防冲

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前5页，总共55页。一、脉动脉动的基本特征是，流场内的水流运动要素（流速、压力）随着时间不断地变化。水流脉动现象和规律与其水流结构相关。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前6页，总共55页。脉动的性质水流分为层流和紊流，自然界的水流绝大多数为紊流。紊流是由大小不同尺度的涡体（或漩涡）所组成，在时间和空间中都是作非线性的随机运动。大小不等的涡体布满紊流场，有的大涡体中套着小涡体，形成一个从大尺度涡体直至最小一级涡体同时并存又互相迭加的涡体运动。涡体的最大涡体尺度与流场边界的特征长度同数量级。(如管流中的大涡体直径可接近于管径；消力池内水跃的横轴漩涡与水深相同；桥墩后的立轴漩涡；模型花墙后的涡体等)。涡体的最小尺度约为1.0mm。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前7页，总共55页。小涡体在向水体内部的传输过程中，有的由于水体的粘性而耗散；有的在与邻近水体或涡体的作用中合并生成大涡体。大涡体的能量大，能够传输到更远的地方。大涡体在传输、旋转过程中因为能量耗损而破裂分解成许多小涡体。大涡体混杂运动的脉动周期长，振幅大，频率低，含有的能量大，在涡体分裂时将能量传给小涡体。小涡体脉动周期短，振幅小，频率高，与周围流体之间形成的相对速度大，粘性切力作用也大。所以能量损失主要通过小涡体的粘性作用完成。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前8页，总共55页。紊流涡体的产生和传输与其流动方式有关。边壁流、分离流、冲击流等不同的流动形态所产生的水流流动要素的脉动特性不尽相同。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前9页，总共55页。产生脉动的常见原因⑴、溢流坝面或泄槽中水流边界层中的紊流产生的流速脉动和伴生边壁压力脉动。⑵、消能过程中水体中的强烈紊动产生的压力脉动(挑流i水舌、跌流水舌、底流漩滚、面流波动、戽流漩滚)。⑶、过流边界发生突变(如边墙、闸墩、底板掺气坎、门槽)，水力要素发生突变(水深、流速、压力)或发生边界层水流分离(涡旋、空穴)产生的压力和流速脉动。⑷、水体外部的触发因素(水面波动、掺气、薄型建筑物的振动、管道泄水时的明满流交替)等引起的压力振动。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前10页，总共55页。挑流冲坑内的脉动特性泄流初期的射流直接作用在冲坑底部，脉动压强的紊动程度随单宽泄量和下游水垫深度的增加而加大，当单宽泄量超过一定数量以后，脉动压强的紊动程度反而降低。随着泄流历时的延长，泄流至单宽泄量对应的下游水深时，冲坑内射流水舌落点的上游侧脉动压强的紊动程度和单宽泄量、下游水垫深度之间的规律同泄流初期:但下游侧脉动压强的紊动程度随单宽泄量、下游水垫深度的增加单向加大。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前11页，总共55页。脉动的描述和指标脉动压强水流脉动压力是时间的随机函数。在常水位下，其压力值随时间变化是一平稳随机过程。水流脉动有其数字（幅值、均方差）特征、时域特征和频域特征。均方差反映了水流脉动程度，称为脉动强度。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前12页，总共55页。埃塞俄比亚fun工程脉动压强上图为埃塞俄比亚fun工程竖井泄水道闸门处的脉动压力，横抽为时间t(S),纵轴为压强p（kpa）。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前13页，总共55页。脉动频率反映水流的脉动特性。据工程实测，水工脉动频率一般为低频。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前14页，总共55页。脉动频率脉动频率反映水流的脉动特性。频谱分析认为，组成脉动过程的各个频率不同压强波中，相应于能量最大的频率，即频谱密度最大的频率，就是对建筑物的振动起主导作用的频率，称为优势频率。当这个频率与被作用物体的自振频率相近时，出现共振，会导致物体的破坏。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前15页，总共55页。三种功率谱型

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering低频窄带谱型

宽带谱型

过渡型谱

当前16页，总共55页。卡基娃工程闸门脉动压强与功率谱

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前17页，总共55页。二空穴与空蚀空穴产生原理：一般情况下，水中的气核随其温度会相应微小的胀缩。但是，当外界条件发生较大变化时，如温度、压力，使得气核半径相应发生较大的变化。当气核的半径变化到一定程度时，就可能因内外压强失去平衡而发生急剧变化，或溃灭或膨胀，称为失稳。在天然条件下，当流体中某点的压强减小到饱和蒸气压强时，流场中的气核膨胀，同时有蒸汽向泡内气化。当泡半径大于临界半径（或泡内压强小于临界压强），气核失稳，生长为空化泡。空化泡使流体的连续性遭到破坏，同时形成充满蒸气和空气的空腔。空化泡随水流运动到流场的高压区域时，这些空腔随即溃灭迅速破裂，同时还伴随一些现象发生（爆烈声，冲击力等)。整个这一现象称为空穴。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前18页，总共55页。圆柱型壁面附近空化过程

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineeringStep1Step2当前19页，总共55页。空穴数和初生空穴数空穴最初发生时，水流中的气核由于周围压力改变而迅速生长，并丧失稳定的结果。确定空穴过程发展程度常用一个无量纲数作为指标，叫做空穴数。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前20页，总共55页。空穴发展之初的表现形式为彼此不相连或者相连的单个气泡组——空穴。这种形式定义为初生空穴。此时的空穴数称为初生空穴数i。从理论上而言，某一固定边界形式，初生空穴数i是一个固定值，是与体型相关的一个空穴数，通常由减压模型试验来确定。空穴数是与水流状态有关，初生空穴数则是与过流边界有关。当空穴数＞初生空穴数i时，不会发生空穴；空穴数＜初生空穴数i可能会发生空穴。而且，初生空穴数越大，越容易发生空穴，从而导致空蚀。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前21页，总共55页。空蚀在水工建筑物中可能出现的部位水工建筑物的某些边壁轮廓急变部位或转拆处容易发生局部负压这些部位容易发生空蚀。反弧末端及其后的平直段是最容易发生空蚀的部位。右图为美国鲍尔德工程泄洪隧洞空蚀破坏情况。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前22页，总共55页。空蚀破坏结果当前23页，总共55页。改善消能工空蚀条件的措施限制负压允许值。限制最小水流空穴数。控制不平整度。选用抗蚀性能高的护面材料。利用超空穴原理。掺气、补水减蚀。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前24页，总共55页。掺气减蚀掺气可减轻空蚀破坏，但无统一理论解释：1、从能量守恒，空泡溃灭过程中气泡中若含有气体分子，需消耗能量，故掺气降低最大冲击压力。2、从空化数变化上讲，水中掺气后形成水汽两相流，使水体密度减轻，水流空化数将加大，降低了空蚀的危险性。3、从空泡溃灭的物理作用上看。水中掺气后抗拉强度降低，有利于空化形成，但空泡内压强较高，若空泡溃灭，空泡中的气体将起到气垫作用，同时水体因含有空气而可压缩，更对空泡溃灭时的冲击波起到了衰减的作用，即降低了空泡溃灭时的瞬时压力。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前25页，总共55页。工程上常采用的强迫通气设施有：槽式、坎式、槽坎式、下跌式、突扩式等。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前26页，总共55页。三、掺气水流在泄槽或溢流坝中流动时，水流中掺入空气的过程叫水流掺气。水和气泡组成的混合体叫“掺气水流”。掺气水流属于“二相流”。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前27页，总共55页。水流掺入空气的原因大略可分为两类，自然掺气和强迫掺气。自然掺气是水流呈均匀缓变流动，沿程固体边界无突然变化，没有水流交汇，也无水跃或冲击波等流态突变，只由于流速足够大而发生的空气从自由水面进入的现象，一般称为自掺气。强迫掺气是水流受到闸槽、闸墩、升跌坎、水跃的漩滚或两股水流交汇时，水流原有流动状态受到破坏，引起局部强烈扰动，致使空气掺入的过程(管道通气孔向管内大量吸入空气的现象是由于管内水流发生强迫掺气的条件，故属于强迫掺气)。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前28页，总共55页。溢流面掺气发生机理紊流边界层发展理论：边壁流动中，存在紊流边界层。边界层厚度沿溢流面流程S增加，而水深h沿流程S略有减少。当边界层发展至水面时，即=h，水体紊动使部分质点跃离水面。在落入水面时，同时将空气带入水体，使水体掺气。随着紊动强度增大，水体质点呈水珠状抛向空中，使掺气作用加强。溢流面上的掺气发展过程为：开始掺气，掺气发展，充分掺气。根据溢流边界层理论，当边界层厚度＝溢流水深h处，即可认为是掺气发生点。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前29页，总共55页。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering陡槽掺气过程图当前30页，总共55页。水流掺气后对工程的影响掺气水流的运动规律与不掺气水流不同，它对水工建筑物的影响也不同。归纳起来，水掺气后对工程的影响主要有以下几点:(1)、水流掺气造成水体膨胀，使水深明显增加，若设计的估计不足，会造成水流漫溢边墙，影响泄水道的安全运行。由于水深的明显增加，从而使泄水道边墙加高，提高了工程造价。(2)、在无压泄洪隧洞中，如果对掺气的影响估计不足，洞顶净空面积预留太小时，还可能产生有压流与无压流的交替，水流不断冲击洞壁，威胁洞身安全。(3)、增大水流脉动压力，从而加大建筑物的瞬时荷载，也增加了建筑物振动的可能性，特别是强迫掺气，如高水头隧洞进口的立轴漩涡卷入空后，可在泄水道中形成较大的气囊，加大了水流的脉动与振动，可能带来一定的破坏作用。(4)、水流掺气后，水面上水花飞溅，给工程管理工作造成不便，给各种建筑物及电气设备的布置带来困难。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前31页，总共55页。(5)、泄水建筑物中的水流掺气后可以增强消能效果，减轻水流对下游河床的冲刷。(6)、掺气水流可减免空蚀的破坏作用。据试验，当掺气浓度达到3一7%就可以起到减免空蚀的作用，当掺气浓度达到10%，则可完全减免空蚀。(7)、水流掺气后，流速分布发生了很大变化，气泡悬移区的平均流速大于不掺气水流的平均流速，使自掺气水流的鼻坎挑流的挑距增大。(8)、泄水建筑物水流掺气对河流的复氧也有明显效果，可改善水环境的质量。 由此可见，掺气水流对泄水建筑物的作用与影响，有有利的一面，也有不利的一面，我们要充分认识、运用这些规律，利用其有利的一面，抑制其不利的一面。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前32页，总共55页。掺气计算掺气水流中的空气泡在水体中受到三方面影响而运动：①向上的浮力；②纵向流速的拖曳力；③紊动传输力。将气泡看作紊动传输物质，且假定随水流的跟随性好（即气泡的纵向运动速度等于水流流速)。掺气浓度计算可按下式紊动扩散方程计算，它既可用于表面自然掺气和底部强迫掺气。含气浓度沿流程传输有均化分布的趋势。底部浓度小于上部浓度。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前33页，总共55页。四、冲击波在泄槽中，由于边界条件改变而形成的水面扰动波称为冲击波。边墙产生的扰动波不能向上游传播，向其对面边壁传播的同时随水流带向下游。在平面上可见一条扰动线，称为波前线。波前线与来流方向的夹角叫波角。波前线将水流分为扰动区和未扰动区。边墙向内偏转使局部水深增加，称为正扰动波；向外偏转使局部水深减小，称为负扰动波。冲击波是一种行进波，当它传到对侧边壁后会形成反射波。在直槽中，冲击波的反射呈菱形状。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前34页，总共55页。闸后冲击波示意图

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前35页，总共55页。冲击波对水工建筑物的影响影响流态；增加水面高度；改变底板压力分布情况；水体能量局部集中

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前36页，总共55页。不同闸墩尾部结构下的冲击波

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前37页，总共55页。模型上的闸后冲击波

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering平尾墩斜尾墩当前38页，总共55页。模型上的闸后冲击波

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineeringA-A断面流速矢量图AA当前39页，总共55页。断波理论计算冲击波在平面流场图上建立动坐标系，其原点沿水流流向（x向）以速度v1运动。在动坐标系中，未扰动水流在x，y向的流速为零。垂直于x轴取一微条。在直墙段，左边墙在微条中静止不动。在边墙偏转段，边墙在微条中以速度vy沿ｙ轴运动并推动水体。这时，水面产生一局部壅高h，形成一个扰动波，并以波速ω与边墙同向行进。此波类同于明渠非恒定流的顺行涨水断波。其性质是收敛的，即波锋前沿陡峭。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前40页，总共55页。为计算方便，将其转化为恒定流形式。用速度等于波速ω的动坐标置于微条中，即可将微条化成恒定流问题。假定：①断波前后压力沿水深均呈静水压力分布；②不考虑铅直方向的流速；③不计及底部摩擦阻力。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前41页，总共55页。在t时间内，水体动量变化M＝/g｛(－Vy)2（h1＋h）－2h1｝t水体受到的力F＝/2｛h2-(h＋h)2｝由连续性方程(－Vy)(h＋h)＝h动量守恒原理M／t＝F2＝g(h1＋h)(2h1＋h)/2h相对波高ξ=h／h1

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前42页，总共55页。将上述几式联立求解，得到：

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前43页，总共55页。泄槽设计收缩段的设计合理的收缩段体型要求：①引起的冲击波波高最小；②尽量减小或消除收缩段以下泄槽中水流的扰动。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前44页，总共55页。扩散段的设计边墙扩散角不能太大，否则在边墙偏转处发生脱流现象，产生局部涡漩。但是扩散角也不能太小，否则扩散段太长，不经济。平底明渠扩散段（突扩渐扩）陡坡明渠扩散段反弧（凹）曲面上的激流扩散

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前45页，总共55页。平面转弯段设计平面弯曲段可看作边墙连续向一侧偏转。凹侧边墙为连续向内偏转，不断扰动水流，形成正扰动波，边墙处水深不断增加。凸侧边墙为连续向外偏转，形成负扰动波。边墙处水深不断减小。到负扰动波传播到对面边墙时，凹侧边墙的水深达到最大值。受到负波的影响，边墙处水深不断下落，直到正波重新反射回来，水深重新增加。凸侧边墙的情况正好相反。水面呈现一系列菱形冲击波。

CollegeofWaterResourcesandHydroelectricEngineering当前46页，总共55页。克服弯道冲击波的措施从原理上说有两类：1、给槽内所有流线都施加一个侧力，使水流平衡不受干扰2、在弯段的起点和终点引入另一种干扰，使原干扰得以抵消。A、渠底抬高法。使槽底具有与水面平行的横向坡降，从而使沿横向坡度的重力分量与离心力等值反相而达到平衡。B、干扰处理法（复曲线法、斜导流屏法、斜导流掺气坎法、螺旋线法）此外，消波墩，人工加糙等也不失为控制急流的有效方法。

CollegeofWaterResourcesandHyd