水工建筑物高速水流学习教案.pptx

会计学1水工水工(shu n)建筑物高速水流建筑物高速水流第一页，共21页。与中、低速水流与中、低速水流(shuli)相比，高速水相比，高速水流流(shuli)有以下流动有以下流动特性：特性：n n（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。n n（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(xngchng)；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(xngchng)的空蚀破坏甚至将导致水流边界的改变。n n（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。第2页/共21页第二页，共21页。高速水流会产生高速水流会产生(chnshng)许多特殊的许多特殊的水力学问题：水力学问题：n n1.1.发发生生强强烈烈的的压压强强脉脉动动高高速速水水流流的的高高速速紊紊动动使使动动水水压压强强产产生生强强烈烈的的脉脉动动，这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。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。n n 脉动压强的分析脉动压强的分析(fnx)(fnx)计算问题计算问题n n2.2.发发生生气气蚀蚀现现象象高高速速水水流流通通过过泄泄水水逮逮筑筑物物的的某某些些部部位位时时，固固体体表表面面常常被被拨拨蚀蚀和破坏，这种现象叫做气蚀。和破坏，这种现象叫做气蚀。n n 气气蚀蚀为为什什么么会会发发生生，如如何何判判断断气气蚀蚀的的发发生生，应应采采取取什什么么措措施施来来防防止止或或减减轻轻气蚀的破坏作用等。气蚀的破坏作用等。n n3 3发发生生掺掺气气现现象象当当流流速速达达到到一一定定程程度度，有有自自由由表表面面的的水水流流中中将将掺掺入入大大量量空空气气，变变成成乳乳白白色色的的掺掺气气水水流流，使使液液体体连连续续性性遭遭到到破破坏坏，过过去去所所讲讲的的水水力力学学公公式式也也就不再适用。就不再适用。n n 什什么么条条件件下下水水流流开开始始掺掺气气，掺掺气气对对泄泄水水建建筑筑物物有有什什么么影影响响，掺掺气气水水深深如如何何计算等问题。计算等问题。n n4 4发发生生波波浪浪由由于于流流速速快快，水水流流的的惯惯性性特特别别大大，固固体体边边界界的的变变化化对对水水流流的的影影响响就就非非常常敏敏感感。即即使使侧侧壁壁几几何何条条件件有有微微小小的的变变化化也也可可使使水水面面产产生生波波浪浪，这这种种波波浪浪叫叫做做冲冲击击波波。侧侧壁壁几几何何形形状状虽虽不不改改变变，在在一一定定条条件件下下，例例如如在在槽槽宽宽水水浅浅的的陡陡槽槽中中也可产生波浪，这种波浪叫做滚波也可产生波浪，这种波浪叫做滚波n n 这这些些波波浪浪的的发发生生，一一方方面面使使水水流流局局部部水水深深增增加加，因因此此要要求求增增高高陡陡槽槽边边墙墙的的设计高度，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。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(shj)问题还有一定差距。第3页/共21页第三页，共21页。15-2 运动运动(yndng)要素要素的数据处理的数据处理脉动(midng)压强的危害：工程实例第4页/共21页第四页，共21页。n n紊流的主要特征：任意一点的运动要素（动水压强、流速等）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，其描述方法为具有脉动现象，为随机过程，其描述方法为n n1.1.时均值时均值 不能满足高速水流专题的研究需要不能满足高速水流专题的研究需要n n2.2.利用利用(lyng)(lyng)概率论和随机过程的有关理论进行分析处理。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(cnzi)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。第5页/共21页第五页，共21页。脉动(midng)强度物理(wl)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。第6页/共21页第六页，共21页。15-3 水工(shu n)建筑物的空蚀一、空蚀（气蚀）的危害(wihi)工程(gngchng)实例第7页/共21页第七页，共21页。空穴(kn xu)和空蚀的概念u液体内部(nib)发生汽化形成空泡的现象称为空穴。u因空穴溃灭的冲击(chngj)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。第8页/共21页第八页，共21页。二、判断空穴二、判断空穴二、判断空穴二、判断空穴(kn(kn xu)xu)的指标的指标的指标的指标空穴空穴空穴空穴(kn(kn xu)xu)数数数数空穴发生(fshng)条件：PPv）溃灭而产生空蚀。P215 图15.5第10页/共21页第十页，共21页。四、减轻四、减轻四、减轻四、减轻(ji(ji nqng)nqng)和消除空蚀的措施和消除空蚀的措施和消除空蚀的措施和消除空蚀的措施1 1边边界界轮轮廓廓(lnku)(lnku)要要设设计计成成流流线线型型。气气蚀蚀产产生生的的条条件件是是低低压压区区的的存存在在，欲欲避避免免低低压压区区的的发发生生，边边界界轮轮廓廓(lnku)(lnku)应应没没计计成成流流线线型型，以以避避免免水水流流与与边边界界脱脱离而产生旋涡。离而产生旋涡。2 2施施工工舌舌后后，过过水水表表面面上上不不应应存存在在钢钢筋筋头头等等各各种种残残留留突突起起物物，对对过过水水边边界界表表面面在在施施工工中中可可能能造造成成的的不不平平整整度度要要加加以以控控制制。一一般般来来说说，表表面面存存在在升升坎坎比比跌跌坎坎容容易易发发生生气气蚀蚀突突起起比比凹凹陷陷窖窖易易引引起起气气蚀蚀；将将突突起起部部分分磨磨成成平平缓缓的的坡坡面面，就就可大大减少发生气蚀的可能性。可大大减少发生气蚀的可能性。3.3.用抗蚀性能较强的材料。如钢板、工业橡皮等。用抗蚀性能较强的材料。如钢板、工业橡皮等。第11页/共21页第十一页，共21页。15-4 掺气水流掺气水流(shuli)简介简介 有自由表面的明渠水流运动时，在一定的流速下，水流就发生掺气过程，即空气潜入水中，使水中含气达一定的程度，以及伴随掺气而发生弥散(msn)现象，也就是水质点散播在气体介质之中的现象。水流(shuli)掺气自掺气：高速下泄的水流与大气自动混掺，能保持沿流掺气。强迫掺气：从空气中射入水中的射流，以及水跃区、桥墩和闸门槽之后也会出现掺气现象。水流离开干扰区后，掺入的气泡会很快地释放掉。二相流：非连续介质，连续介质的水力学计算方法不再适用，必须根据二相流的特性进行分析研究。一、水流掺气的现象第12页/共21页第十二页，共21页。第13页/共21页第十三页，共21页。掺气水流可分为三个区域：上部、中部、底部。高度掺气时，清水(qn shu)区就不存在。掺气水流(shuli)中任一过水断面第14页/共21页第十四页，共21页。二二 水流水流(shuli)掺气对水工建掺气对水工建筑物的影响筑物的影响第15页/共21页第十五页，共21页。三三 掺气水流掺气水流(shuli)的的掺气浓度掺气浓度 确定掺气水流的抖槽边墙高度和泄洪隧洞洞顶余幅(y f)的重要参数haw第16页/共21页第十六页，共21页。边界层概念：粘性液体流经固体表面时，在壁面附近形成的流速梯度明显的流动薄层(bo cn)。边界层内：粘性不能忽略，须按实际液体处理；边界层外：可忽略粘性，按理想液体处理。第17页/共21页第十七页，共21页。第18页/共21页第十八页，共21页。第19页/共21页第十九页，共21页。第20页/共21页第二十页，共21页。感谢您的观看(gunkn)！第21页/共21页第二十一页，共21页。