第十二章-高速水力学基础.ppt

* 12.7.2 急流冲击波的水力计算 图12.35为侧壁向水流内部偏转一个 角，水流产生一个波角 为 的冲击波。 、 和 、 分别为扰动线上下游的水深和流速， 、 和 、 分别为 、 沿扰动线方向和垂直于扰动线方向的流 速分量。由于水深只在扰动线上下游有变化，沿扰动线的方 向水流不受干扰作用，因此该方向的分速不应改变，即 。这 样就可绘出急流中侧壁偏转时横过流场的波前平面图和流速 矢量图。 图12.35 * 对单位长度扰动线写出连续性方程和动量方程 ? （12.97） （12.98） 因 ， ，带入式12.98解得 （12.99） 以 代入上式得 （12.102） 或 （12.103） 上式表示波角及水深变化和原来水流特征的关系。 * 12.7.3 急流弯道设计 急流弯道会产生显著的凹岸水面超高，为了冲击波而加高渠 道侧壁是不经济的，一般设计急流弯道时要采取消除冲击波 的措施。一般采用渠底超高法和复曲线法两种方法。 * * 12.4.2空化初生的判定方法 空化的初生是空穴在极小区域内偶然初次出现的非稳定状态。 要在水体内部产生空泡，首先要使液体水的连续性被破坏，在水体内部形成水与气的界面。试验和理论计算表明，为了使液体水断裂，大约需要4~100个大气压的拉力强度，因此，均匀、连续、纯净的水几乎不会产生空化。空化能够生成的原因在于水体中含有“气核”。实际上，在天然水体中一般都含有大量的肉眼看不见的极微小的不溶解于水的小气泡（气核），其直径约为10-6~10-3cm。当水流的局部压强很低时，气核就会膨胀，由于气泡内的压强很低，在气泡及液体水的界面上会发生“蒸发”现象，水蒸汽分子进入气泡内与不溶解气体混合，形成所谓的空化泡，并使空化泡得以加速生长。总之，水中气核的存在是形成空化的依据，流场中压强降低到水的汽化压强则是空化泡急剧增长的条件。 EXIT * 空化泡的尺寸非常小，其生长与溃灭过程在水流中是一种微观 现象。研究空化与空蚀问题，我们不可能研究每一个空泡或空 化群的详细过程，工程设计只能了解流经建筑物的水流的总体 情况，也只需要从总体上把握水流的空化空蚀特性。影响水流 空化的主要参数是其压强和流速，以及他们组成的量纲一的数 ——水流空化数 。 根据某一水流的具体流动参数，可以计算出其水流空化数 。它 是反映该水流空化特性的无量纲参数。水流空化数越小，则其 发生空化的可能性越大。工程上常以空化初生作为产生空蚀的 判断标准。不同建筑物体型的初生空化数 可通过实验或根据已 有的经验确定。 * EXIT 图12.16 空化初生的判断，常常将过水建筑物原型按一定比尺缩小制作 为模型，放在特定的大型设备——减压箱中进行。减压箱由放 模型的箱体、封闭的水循环系统、抽气减压系统等组成，整个 设备体型巨大（图12.16）。空化水流的试验研究设备还有水洞、空蚀台、 变压箱等。 * EXIT 12.4.3避免空蚀破坏的措施 国内外水工建筑物遭受空蚀破坏的事例很多，坝面、泄水底孔、 过流壁面不平整处、消能工及闸门槽等与高速水流接触的部位 都可能遭受空蚀破坏。除了加强运行管理，避免不合理的运行 情况外，防止和减免空蚀的方法可粗略地归纳为以下三大类： （1）修改泄水建筑物的体型，改善泄流壁面压力特性，降低 泄水建筑物上的流速。 （2）控制过流壁面的平整度，使其初生空化数降低至水流空 化数以下，并考虑一定富余。 （3）施工后，对过水表面上残留的钢筋头、施工错台、错缝 等进行打磨、填补。 * EXIT （2）施工后，过水表面上不应存在有钢筋头等各种残留突 起物，对过水边界表面在施工中可能造成的不平整度要加以 控制。一般说来，表面存在升坎比跌坎容易发生空蚀，突起 比凹陷容易引起空蚀。将突起部分磨成平缓的破面，就可大 大的减少发生空蚀的可能性。图12.27为斜坡及三角突体两种 表面不平整型式的初生气穴数曲线。由图可以看出：当突体 的宽高比愈大，即坡面愈平缓，初生气穴数 值愈小，则发生 空蚀的可能性就愈小。根据图12.27中的试验曲线还可以推求 对施工表面不平整的要求。 * EXIT 图12.19 图12.19为斜坡及三角突体两种表面不平整型式的初生气穴数 曲线。由图可以看出：当突体的宽高比愈大，即坡面愈平缓， 初生气穴数 值愈小，则发生空蚀的可能性就愈小。根据图 12.19中的试验曲线还可以推求对施工表面不平整的要求。 * （4）采用抗空蚀材料，如树脂高分子材料，硅粉混凝土，表 面涂料等，增强泄水建筑物过流壁面材料的抗空蚀性能。 （5）采用掺气减蚀措施，过去防空蚀破坏的主要措施是改善 建筑物体型。现在，采用水流掺气防止空蚀破坏已成为主要工 程措施。它效果好且经济，在总过高水