水工建筑物中的高速水流读书笔记

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一、高速水流的定义：

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。

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。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。

二、高速水流流动特性：

（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。

三、研究进展

对于高水头水工建筑物挑流扩散消能、斡型坦的水流脉动压力、高压闹阴的振动和高速水流的原型观侧等四项简题，主要研究成果如下:

1.挑流消能效果的衡量标准，包括冲刷坑的最大深度d，和冲刷最深点到坦趾的距离L，突践中希望比值心/L小于一定的数值，以保靓工程的安全，在挑流坎的型式选择中，也多以d扩乙的最小值为最优方案.

2.挑流鼻坎是集中控制挑流的关键，通过贰盼研究提出的鼻坎型式有平滑速擅式、矩形差动式、梯形差动式及扩散差动式等类型.对差动式鼻坎的挑射角度、齿和槽的合理尺寸等，都已取得较成熟的握盼，例如溢流坦的挑流平均角度在25“~30“之简，槽和齿的角度差为5。~10“，槽和齿的竟度比为1/2~2/3.在泄洪管出口采用在平面上扩散的弧形边墙，对于同时加大水流的横向扩散有显著的功效，佛子岭泄洪锢管末端的扩散器就是一个成功的例子.

3.挑流的射程主要取决于鼻坎处的水流流速挑射角度、鼻坎的高程位肴，就脸中发现还和坦面或陡槽坡度、反弧长度与水深比等因素有关系.根据贰输成果，提出了挑流射程的舒算公式，在佛子岭、密云等水康取得的原型观测青料，渝征了水工模型贰脸的射程和实际工程中较厚水舌的主流射程相接近.对于鼻坎上水流自由挑射的临界条件，也从边界层理渝出发，进行了分析.

4.射流捧气分散跌入下游水垫后引起的局部冲刷的最大深度与范围，决定于水垫的深度、河床盾的特性以及挑离鼻坎的流量和流速、射流在空中的修气扩散J清况、跌入水垫时的角度和能量分布情况等.通过贰盼研究工作，对松散体的冲刷提出区分浅水型与深水型的概念;从冲刷坑底的平衡流速和均匀流的不冲流速

出发，得出不搀气射流的冲刷深度算式;井进而对于人工俘气射流及人工分散射流，得出了冲刷深度减小的校正数.此外，对于射滩冲击河床表面以及冲刷坑底的压力也进行了拭盼研究，发现射流冲击点下游出现低压区，且压力变差较大，在靛斜跌流下的护坦时需加注意.，.拱垠溢流的挑流消能周题，由于坝顶为弧形，水流向心集中的特点而趋于复杂，通过流溪河拱坦溢流的贰盼研究，获得了高低坎错开排列布置及采用断面为梯形的扩散坎型等握脸.至于高速射流在空中互相撞击消能的方法，需注意撞击的位置和角度，不适当的撞击可能使两股水流重又集中，达不到覆期的扩散消能效果.

6.作用于溢流坦坦面水流的脉动压力具有随机性厦，且各点的脉动相位不同，一般税来，高速水流的压力脉动对坦休不易产生共振现象.

7.通过贰脆研究，渝征了加大鲤型坦单宽流量及采用溢流式水电站厂房的可能性.试输背料指明光滑溢流坦面上的水流脉动压力一般不超过平均流速水头的10%，郎使加大单竟流量，例如:拓溪溢流大头坦q=1肠立方米/秒/米，新安江溢流厂房q=126立方米/秒/米，根据模型贰盼成果熟为不致影响埙身安全，对于节豹工程材料和费用，具有重大意义。

8.通过对佛子岭、梅山、大伙房水康等高压平板阴阴的原型观侧及一些相应的模型拭输，渝征了这些阴阴在一定开度范围内可以部分开启，突破了青本主义国家一般将高压阐阴的部分开启限制在75叹(23米)水头以下的规定.

9.根据佛子岭水康泄洪锢管等圃P弓后通气管进气量的原型观侧青料，初步箫征了闹阴后通气管的合理尺寸，在没舒工作中可参考康拜尔和卡林斯基两公式;通气量的测定，采用毕托管法较孔板法为优.

10.由于高速水流研究任务的提出，带动了电测仪器献制砰碑龙工作的开展，

如目前已就制成功磁电式振动仪、电阻式加速度仪、电阻式诊气仪、下射钱博气仪、电威式脉动压力戚应器、电诚式高流速仪、弹式高流速仪等，对于开展高速水流研究工作起一定的作用.

四、 高速水流会产生问题：

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。

五、发展方向

配合大规模的水利水电建殷高潮，对于水工建筑物的高速水流周题，包括消

能、冲刷、珍气、脉动、振动、气触等方面，需要进一步大力展开，今后研究工作的主要方向有下列各点:

1.岩基冲刷简题目前简是一个空白点，今后应大力进行原型观测与青料的积累工作，并配 室内截盼研究，以期在较短期内得出成果.

2.桔合加大单竟流量的要求，研究大流量厚水股在空中的分散掺气过程及其对冲刷作用的影响;并桔合实际工程，进一步研究挑流鼻坎的型式和加弦分散修气作用的措施.

3，研究高水头大单竟流量下拱俱及其他袒型俱的溢流周题，包括消能措施、水流脉动和可能引起的建筑物振动简题.

4.精合不同工程目的，进一步研究水流脉动压力青料的整理分析方法及模型律简题.

5.研究溢流土石坦和溢流围堰的面板稳定及下游消能冲刷简题，包括水流脉动对于护坦厚度和局部冲刷的影响.

6.进行高水头大直径隧涧中流态及出口消能简题的研究.

7.桔合实际工程简愚和简阴的选型、造型，研究阐四的振动特性和减振措施，并探索阴阴 动的贰阶研究方法.

8.研究修气水流的迭动特性，及其对水流脉动和气穴的影响. 9.研究气穴水流的特性，以及械免水工建筑物气颤的措施. 五、高速掺气水流的水力计算方法

1.高速水流中几个参数的定义

高速掺气水流中,气水混合物中空气所占的比例称掺气浓度或含气比,以符号C表示;气水混合物中水所占的比例称含水比,以符号β表示;

根据以上定义,可知:

β=1-C

(1)

气水混合体中空气体积和水体积之比,称为气水比,以符号B表示,则根据定义:

B+1=1/β=1/(1-C)

(2)

掺气后水深增加值的估算,实质上就是确定掺气水流中含有的气和水的比例。根据气水比的定义,气水比B可以看成是掺气后水深的增量(即空气的高度)与不掺气水深的比值:

B=(ha-h)/h

(3)

则掺气后的水深:

ha=(B+1)×h (4) 将2式代入,可写成:

ha=h/β

(5)

式中:h—同样条件下不掺气水流相应的水深;

根据以上的公式推导可知,只要能够确定含水比β、含气比C或气水比B,就可以求得起气水深ha。 2.计算掺气水深的经验公式 (l)关于气水比的经验公式:

B=0.12×(Fr2-25)(1/2)

(6)

Fr=v(/g×R)(1/2) 式中:v—不掺气水流的流速;

R—过水断面的水力半径;

(2)关于含气比的经验公式:

1-C=1/(Ω×Fr1.5+1)

式中Ω为形状系数与槽身断面形状有关,矩形槽Ω=1.35n,梯形槽Ω=2.16n,n为粗糙系数。 (3)关于含水比的经验公式:

(a)影响掺气水流的主要因素为佛汝德数Fr、粗糙系数n及宽深比b/h,故掺气水流的含水量可用下式表示: β=k×(Fr2×φ×b/h)y

(式中:佛汝德数 Fr=v(gh)0.5 φ=(n×g)（1/2）/R1/6 式中:R—清水时的水力半径;

n—粗糙系数; k—系数;

y—指数;

根据国内外一些陡槽掺气水流实验资料分析结果,求得k=0.937,y=-0.088,故上式可写成:

β=0.937×(Fr2×φ×bh)-0.088

(b)国外总结原型陡槽掺气资料的经验公式:

β=11+k×Fr2=11+k×v2g×R(9)

式中:v及R均按不掺气水流计,系数k取决于槽壁材料的性质

六．水工建筑物的空蚀破坏机理

1.固体壁面产生空蚀破坏的机理有机械作用、化学腐蚀作用、电化学作用和热作用等,其中较公认的是机械作用为主。

(1)机械作用.机械作用理论研究者认为,过流壁面产生空蚀破坏是由于空泡溃灭时产生微射流和冲击波的强大冲击作用所致.Hammitt通过计算和实测得出,游移型空泡溃灭时,近壁处微射流速度可达70~180 m/s(有人认为可高达600 m/s),在物体表面产生的冲击压力可高达140~170MPa (有的计算高达58.2 GPa),微射流直径约为2~3μm,表面受到微射流冲击次数约为100~1000次/(s·cm2),冲击脉冲作用时间每次只有几微秒.这样高的冲击作用将直接破坏物体表面而形成蚀坑,较小冲击力的反复作用则引起物体表面疲劳破坏.

(2)化学腐蚀作用.一般说来,化学腐蚀作用常与机械空蚀作用互相促进,空蚀加速腐蚀,腐蚀也加速空蚀,二者联合作用造成固壁更严重的破坏.

(3)电化学作用.在空泡溃灭时的高温高压作用下,金属晶粒中形成热电偶,冷热端间存在电位差,对金属表面产生电解作用,造成电化学腐蚀.

(4)热力作用.空泡溃灭时,其中含有的气体温度很高(估算达数百度),这些热气体与物体表面接触时,将使物体表面局部加热到熔点,使局部强度降低而破坏.

2. 常用的空蚀试验方法和空蚀程度表示方法常用的研究空蚀的试验方法有以下几种

(1)文丘利管空蚀.它是利用文丘利管的喉部收缩,增大流速,产生空化,从而对

物体表面产生空蚀破坏.

(2)磁激振荡空蚀.利用纵向共振镍管的磁激振荡或高频压电晶体产生高频微幅振荡来产生空化,对试件产生空蚀.

(3)超声波振动空蚀.将超声波的压力脉冲作用于水体,产生振动,引起局部压力降低而产生空化,使试件发生空蚀破坏.

(4)旋转圆盘空蚀.利用在厚度方向上开有分布小孔或附有突体的转盘在液体

中高速旋转,在小孔或突体后部产生尾流空化,对嵌于盘面的试件产生空蚀破坏.

除上述几种常见的空蚀试验方法之外,还有高速射流冲击试验、水滴冲击试验、往复式活塞型空蚀试验等.空蚀程度衡量方法主要有以下几种:

(1)失质法.用试验材料在试验前后的质量损失率来衡量. (2)失体法.用试验材料在试验前后的体积损失率来衡量. (3)面积法.用受空蚀失去的涂层面积与总涂层面积的比值来衡量. (4)深度法.用试验材料表面受空蚀破坏的深度来衡量.

(5)蚀坑法.用空蚀后单位时间单位面积的麻点数(即空蚀麻点率)来衡量. (6)时间法.用单位面积失去单位质量所需的时间来衡量.

(7)同位素法.在试件上涂上放射性同位素保护层,通过测定空蚀后水中放射性的大小来衡量.上述各种方法中,以失质法应用最普遍,国内外许多重要成果及规律都是基于该法得到的。

七、总结

通过对高速水流的学习，懂得了什么是高速水流，高速水流的特征，高速水流对水工建筑物的危害。随着对高速水流的不断了解，其对建筑物的不利影响也有了更深刻的认识，这有助于在以后的工作中对相关施工有全方面的安全考虑。

参考文献

1.Keller A. The Influence of the Cavitation Nucleus Spectrumon Cavitation Inception, Investigated With a ScatteredLight Counting Method. Trans. ASME, J. Basic Engr,1972,94(4) 2.潘森森.空化机理的近代研究.力学进展,1979

3.Keller A P, et al. Comparative Cavitation Tests UnderConsideration of Tensile Strength of Water. Int. Work-shop on Cavitation. Wuxi, China, Apr.1989

4.杨志明.初生空化的对比试验中德合作研究项目.水动力学研究与进展,1994, 9(1):6~103 5.倪汉根.孔板泄洪洞初生空化数的估计.水动力学研究与进展,1995,10(4):419~428 6.胡明龙.紊动剪切流中气核振荡对空化的作用.水动力学研究与展,1994,9(2):182~189 7.孟国庆.气蚀和气蚀射流.高压水射流,1983,(1):1~11,(2):13~25

8.Thiruvengadam A. A Comparative Evaluation of Cavita-tion Damage Test Devices. A.D.425725,1963

9.裴拉耶夫著,华中工学院水力机械教研室译.水轮机气蚀.北京:机械工业出版社,1981 10.黄继汤等.挟沙水流中混凝土等脆性材料及一些金属材料抗空蚀性能的试验研究.见:1983年全国水电中青年科技干部报告会论文选集.北京:水利电力出版社,1985

11.张春满;高坝新型消能工的应用[J];安徽水利水电职业技术学院学报;2005年02期 12.王再友,徐英鸽,朱金华;亚稳态金属材料抗空蚀性能研究[J];兵器材料科学与工程;2003年01期

13. 夏毓常;泄水建筑物若干体型初生空化数的合理取值[J];长江科学院院报;2000年02期

14. 牛争鸣;张宗孝;孙静;洪镝;谢小平;曹双利;;通气对水平旋流内消能泄洪洞水力特性的影响[J];长江科学院院报;2006年05期

15. 徐勤勤,刘敦煌,岳汉生;船闸反向弧形阀门底缘体形优化试验；长江科学院院报;1997年03期

16. 夏毓常;判别泄洪洞反弧段发生空蚀的水力特性标准[J];长江科学院院报;1998年02期

17. 肖兴斌;中小型水利工程消能工的新发展[J];长江职工大学学报;1995年03期

18. 肖兴斌,王业红;高坝挑流消能设计研究与应用现状述评[J];长江职工大学学报;1998年04期

19.Plesset M S. Temperature Effects in Cavitation Damage.Trans. ASME J. Basic Engr.,1972 20.郑大琼.水中悬浮含沙量对空蚀特性影响的探讨.见:空泡机理学术讨论会论文集.中国造船编辑部,1984

21. 康进兴,赵文轸;镍基覆层材料抗冲蚀气蚀性研究[J];材料保护;2002年06期

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21. 康进兴,赵文轸;镍基覆层材料抗冲蚀气蚀性研究[J];材料保护;2002年06期

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