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| 內容簡介： |
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《高速水流》重点阐述高速水流的基本概念、基本特点、主要的水力特性及分析研究问题的基本方法，并对水利水电工程中的高速水流问题，如消能、空化空蚀、雾化、流激振动及急流冲击波与滚波进行了系统介绍，其特点在于力求以紊流理论与多相流理论为基础，较深入地探讨高速水流的紊动结构与掺气特性。
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目录序前言第1章 概述 1参考文献 2第2章 高速水流的紊动 42.1 概述 42.2 高速水流的紊动特征及紊流运动分类 42.3 高速水流运动的数学模型 52.3.1 高速水流运动基本方程 52.3.2 紊流模型 72.4 紊流特征量及其计算 152.4.1 离散数据的采样 162.4.2 紊动特征量的计算 172.5 脉动壁压 182.5.1 脉动壁压的形成机理 192.5.2 高速水流单点脉动壁压统计特性 252.5.3 高速水流脉动壁压的空时相关及波数频率谱特性 342.5.4 压力传感器形状与尺寸对脉动壁压实测特征值的影响 38参考文献 41第3章 高速水流的掺气 433.1 概述 433.1.1 掺气现象及其影响 433.1.2 高速水流掺气机理 433.2 气泡在流场中的运动形态 473.2.1 流场中的气泡运动形态 473.2.2 气泡上升终速 473.3 高速水流的自然掺气 493.3.1 明渠中的掺气永流 493.3.2 高速挑射水流的掺气 543.4 高速水流的强迫掺气 563.4.1 跌落水流的掺气 563.4.2 水跃的掺气 583.4.3 掺气设施强迫掺气 60参考文献 60第4章 高速水流的消能 624.1 概述 624.2 挑流消能 624.2.1 挑流消能原理与适用条件 624.2.2 挑流消能工 634.2.3 挑流消能水流运动计算 694.2.4 挑流冲刷计算与下游防冲措施 784.3 底流消能 794.3.1 底流消能原理与适用条件 794.3.2 底流消能的水力计算 804.3.3 底流消能中的辅助消能工与水跃控制 894.3.4 底流消能的下游局部冲刷与防冲措施 914.4 面流消能 914.4.1 面流消能原理与适用条件 914.4.2 跌坎*流消能 924.4.3 面流消能的下游局部冲刷与防冲措施 964.5 宽尾墩出流消能 974.5.1 宽尾墩出流消能原理 974.5.2 宽尾墩的体型参数 984.5.3 宽尾墩与挑流联合消能 994.6 其他类型的消能 1014.6.1 自由跌落消能 1014.6.2 水股空中碰撞消能 1024.6.3 孔板消能 1044.6.4 台阶消能 106参考文献 109第5章 空化空蚀 1105.1 概述 1105.1.1 有父空化空蚀的概念 1105.1.2 泄水建筑物空蚀实例 1115.1.3 空化的分类 1115.1.4 空化的影响 1125.2 空泡动力学基础 1135.2.1 气核形成理论 1135.2.2 空泡的发育 1145.2.3 球形空泡的稳定性 1175.2.4 空泡的溃灭 1205.3 空蚀破坏程度的度量与空蚀破坏机理 1225.3.1 空蚀破坏程度的度量 1225.3.2 空蚀破坏的机理 1235.3.3 紊流相干结构与空蚀的关系 1255.3.4 泄水建筑物易受空蚀破坏的部位 1255.4 空化与空蚀的物理模拟与原型观测 1285.4.1 空化与空蚀的几个无量纲数 1295.4.2 空化与空蚀的物理模拟 1305.4.3 空化与空蚀的原型观测 1335.5 水工建筑物减免空蚀措施 1345.5.1 选用合理的过流边壁体型 1345.5.2 改进施工工艺，提高过流边壁的平整度 1415.5.3 选用抗蚀性能较强的材料 1455.5.4 掺气减蚀 148参考文献 156第6章 高速水流的雾化 1576.1 概述 1576.2 挑流消能雾化水流 1586.2.1 挑流消能雾化水流的特征 1586.2.2 挑流消能雾化水流的流动机理 1586.2.3 挑流消能雾化水流的数值模拟 1596.2.4 桃流消能雾化水流的模型试验与原型观测 1676.3 底流消能雾化水流 1696.3.1 坝面溢流自然掺气形成的雾源 1696.3.2 水跃区生成的雾源 1706.4 雾化水流的危害与防范 1716.4.1 雾化水流对发电与电器设备的影响 1716.4.2 雾化水流对航运的影响 1716.4.3 雾化水流对两岸边坡稳定和交通的影响 1726.4.4 雾化水流对附近居民生活的影响 172参考文献 172第7章 高速水流的流激振动 1747.1 概述 1747.2 流激振动的物理模拟 1747.3 流激振动的数值模拟 1767.4 水工结构的流激振动 1797.4.1 导墙振动 1807.4.2 坝体振动 1817.4.3 溢流厂房与泄水陡槽的振动 1817.4.4 闸门的振动 181参考文献 181第8章 急流冲击波与滚波 1838.1 概述 1838.2 急流冲击波的形成及数学描述 1838.2.1 急流冲击波的形成 1838.2.2 小波高急流冲击波的计算 1848.2.3 大波高急流冲击波的计算 1868.2.4 冲击波的反射与干扰 1878.3 急流收缩段冲击波计算 1888.3.1 急流收缩段的合理*线 1888.3.2 直线收缩段冲击波的计算 1888.3.3 窄缝消能T收缩段冲击波的计算 1898.4 急流扩散段冲击波计算 1908.4.1 平底明渠扩散段 1908.4.2 陡坡明渠扩散段 1938.4.3 反弧（凹）*面上的急流扩散 1938.5 急流弯道段冲击波计算 1948.5.1 弯道上急流冲击波形态 1948.5.2 较大半径情况下急流冲击波计算 1948.5.3 较小半径情况下急流冲击波计算 1968.5.4 弯道上急流冲击波的控制 1968.6 滚波的形成条件及特征 1988.6.1 滚波形成的条件 1988.6.2 滚波的特征 200参考文献 201
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第1章 概述 水流可处于层流与紊流两种运动状态，层流中流体质点沿其轨迹层次分明地向前运动，其轨迹是一些平滑的随时间变化较慢的*线；紊流中流体质点的轨迹杂乱无章，相互交错，且变化迅速。层流与紊流之间的本质区别在于：①紊流运动是由大小不等的涡体所组成的无规则的随机运动，其物理量（如流速、压强及温度等）存在脉动，即对时间和空间而言的不规则变化；②紊流的输运能力（用紊动黏性系数来表示）要比分子的输运能力大几个数量级；③紊流常在高雷诺数下发生，可将其视为层流的非稳定性发展，且紊流中通过小涡体的掺混运动造成很大的能量耗损。如果水流运动的速度不高，即使水流处于紊流运动状态，用常规的水力学方法或工程流体力学方法即可对其统计特性进行描述。但如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、结构振动、局部区域雾流强降雨、急流冲击波及滚波等现象的单*或综合出现，此时的水流称为高速水流。与处于中、低速运动的水流相比，高速水流在流动特性上有新的变化，主要反映在： （1）高速水流通常为复杂边界条件下的多相体系紊流。如掺气水流为水-气两相流；雾化水流的雾流扩散段为气-水两相流等。 （2）高速水流与过流边界之间的相互作用更加突出。如流激振动中存在水流与固体边界的流固耦合；渠道中边墙的偏转可导致急流冲击波的形成；雾化水流中的雾流降雨在很大程度上依赖于下游地形等。此外，由高速水流形成的空蚀破坏甚至还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。由于高速水流具有如上特点，如在设计或施工中不加以注意，其有可能导致结构物或水力机械工作条件的恶化，甚至破坏。研究高速水流的目的正在于防范其可能导致的危害。 虽然明渠中一般当水流流速达到6~7m/s时其自由表面即出现掺气现象，但习惯上常将流速达到15~20m/s以上的水流称为高速水流[1]。高速水流存在如下的特殊水力学问题： 1）高速水流的紊动与流激振动 研究高速水流紊动的基础仍然是紊流理论。高速水流中存在着多种尺度的运动，由文献[2]~[5]可知，在三维紊流中其含能涡与耗散涡的尺度之比近似与雷诺数的9/4次方成正比。由于高速水流的雷诺数很大，其内各种紊动尺度共存，水流紊动强烈，并有可能导致处于其中或构成其边界的结构物的振动甚至破坏。因此，应研究高速水流的紊动特征，尤其是要弄清高速水流作用于其过流边界上的脉动荷载。 2）高速水流的掺气 高速水流内高强度紊动的存在是导致其内维持一定含气浓度的必要与充分条件。高速水流掺气后，水体的连续性被破坏，其原有的水力特性也相应改变。因此，应弄清高速水流的掺气条件及水流掺气后水力要素的计算，以此来判别水流掺气后对结构可能造成的影响。 3）高速水流的消能 高水头泄水建筑物上的高速水流具有巨大的动能，如何将其进行有效的转化，使上、下游水流以适当的形式相衔接是水利水电工程中的重要问题之一。因此，应研究适合具体工程特点的消能形式。 4）空化空蚀 高速水流通过泄水建筑物某些部位时，固壁常出现剥蚀甚至破坏现象。因此，应研究高速水流空化与空蚀破坏的机理以及采用何种措施来防止或减轻空蚀的破坏作用。 5）高速水流的雾化 高速水流的雾化对水利水电工程的安全运行具有潜在威胁，并有可能导致山体滑坡、中断交通及闪络跳闸等事故的出现。因此，应研究雾化水流的特性，采用适当的措施防范其危害。 6）急流冲击波与滚波 急流冲击波是渠槽中因侧墙几何条件的变化而在水面形成的一种波。在一定条件下，即使侧墙几何形状与尺寸不变，在槽宽水浅的陡槽中也可产生波，称为滚波。急流冲击波与滚波的出现改变了水流原有的运动特征，增加了下游消能的困难。因此，应研究急流冲击波与滚波的形成条件以及急流冲击波与滚波的计算方法。 研究高速水流可采用以下四种方法[6~8]，即理论分析、试验研究、数值计算、原型观测。影响高速水流的因素很多，单纯的理论分析只能把握其主要影响因素。试验研究与原型观测目前乃至今后相当一段时间仍然是高速水流研究的主要方法，但模型试验费时费工，且从技术上来看也有可能存在缩尺效应，而原型观测亦受场地及泄流条件等的限制较大。数值计算在高速水流中的应用已有不少成果，但仍有待于进一步深入、系统与完善。 参考文献 1 杨振怀等.中国水利百科全书.北京：水利电力出版社，1991 2 Reynolds W C.Whither Turbulence. Cornell University，1989 3 梁在潮.紊流力学.郑州：河南科技出版社，1988 4 梁在潮，刘士和等.多相流与紊流相干结构.武汉：华中理工大学出版社，1994 5 梁在潮.工程湍流.武汉：华中理工大学出版社，2000 6 李建中，宁利中.高速水力学.西安：西北工业大学出版社，1994 7 成都科学技术大学水力学教研室.水力学.北京：人民教育出版社，1980 8 夏毓常，张黎明.水工水力学原型观测与模型试验.北京：中国电力出版社，1999 第2章 高速水流的紊动 2.1 概述 紊流是自然界和工程技术中广泛存在的一种流体运动现象[1，2]，水利工程中的高速水流因速度高，尺度大，其流态不仅是紊流，而且一般是水-气两相流紊流。然因实际工程问题十分复杂，而目前对两相流紊流的研究又不十分深入，所以在研究高速水流的紊动特征时多数情况将其简化为单相紊流来处理。 2.2 高速水流的紊动特征及紊流运动分类 高速水流的紊动既具有一般紊流运动的特征，如随机性、大雷诺数，同时在能量耗损与扩散性等方面也有其自身的特点，具体反映在如下几个方面： 1）能量耗损 水流运动必然要消耗能量。对高速水流，其能量耗损是由其内的小尺度涡体通过黏性作用而造成的。目前，流体力学中有关流动控制问题的研究正方兴未艾，在高速水流中也有类似的水流能量耗损控制问题，如水工建筑物的消能问题等。 2）动水荷载 泄水建筑物泄流时，作用于其边壁上的动水荷载是导致建筑物振动的激振力，这种动水荷载实际上是边壁上的脉动压强与脉动切应力沿过流面综合作用的结果。目前对壁面脉动切应力的研究尚不多见，而对壁面脉动压强则研究甚多，这一方面是因测试手段所限，另一方面也是从工程实际考虑。例如，如果忽略泄流面*率的影响，则脉动压强就成为动水荷载的主要组成部分。我国水利界一般将作用于建筑物表面的脉动压强称为脉动压力，本文则将其称为脉动壁压。 在水利工程中，脉动壁压的研究甚为重要。如果泄水建筑物上的水流为高速水流，动水荷载将大大增加，由此提高了对建筑物强度方面的要求，尤其是当动水荷载的主频率与建筑物的自振频率相近时，还有可能引起建筑物特别是轻型建筑物的共振。在分离水流内部，由于脉动压强的作用可能形成瞬态空化水流，有时虽然某些部位的时均压强不是很低，然因水流内部脉动压强的作用导致瞬时压强大大降低，由此增加了空蚀的可能性。此外，在研究岩石冲刷机理时，也常常会研究脉动压强对岩块的作用及沿岩石节理的传播。 3）两相紊流 高速水流或多或少地挟带有气泡，基本上属水-气两相紊流。高速水流中之所以能携带气泡，主要是水流的紊动扩散作用将气泡从浓度高的地方向浓度低的地方输送，以此抑制气泡的上浮作用，从而形成水-气两相紊流。因此，高速水流中的掺气浓度分布在很大程度上决定于水流的紊动强度及紊动扩散系数的分布。 从水流紊动特征的空间变化出发，可将紊流分为均匀紊流与非均匀紊流，非均匀紊流又可细分为自由切变紊流及边壁切变紊流。均匀紊流要求所有紊动特征量不随空间位置而变，也即任何紊动特征量的平均值及其空间导数在坐标作任何平移变换时不变。实际工程中的高速水流大都具有十分复杂的几何边界，因此高速水流很难出现均匀紊流。 自由切变紊流指的是固体边壁对紊动特性不发生直接影响的紊流，如射流、尾流及混合层等。在高速水流中，从溢流坝挑射出的水流可视为掺气散裂射流，其介绍见第3.3节。高速水流中因一般存在水-气交界面，因此也涉及混合层问题。此外，如闸墩下游足够长，闸墩下游的绕流也属于尾流问题。迄今为止有关高速水流中的混合层及尾流问题研究成果甚少。 边壁切变紊流指的是固体边壁对紊动特性有直接影响的紊流，包括流体绕固体边界的流动及流体在固体边界之间的流动两种，前者称为外流，如绕平板的流动，其特点是紊流存在的区域沿物体向下游方向增加；后者称为内流，如明渠流、管流，其特点是紊流存在的区域限制在固体边界内。水利水电工程中的高速水流大多属于明渠流，如溢流坝面上的流动、泄洪槽内的水流运动均属明渠流。 2.3 高速水流运动的数学模型 2.3.1 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，引入雷诺假设，可得其时均运动的控制方程为 （2.3.1a） （2.3.1b） 而脉动运动的控制方程则为 （2.3.2a） （2.3.2b） 式中与分别表示时均流速与脉动流速，珔狆与狆分别表示时均压强与脉动压强。 时均运动的能量方程为 （2.3.3） 式中各项意义如下： （1）项：单位时间单位质量水体时均运动动能的当地变化； （2）项：单位时间单位质量水体时均运动总动水压强所做的功； （3）项：单位时间单位质量水体时均运动质量力所做的功； （4）项：单位时间单位质量水体时均运动紊动切应力所做的功； （5）项：单位时间单位质量水体时均运动紊动切应力所做的变形功； （6）项：单位时间单位质量水体时均运动黏性切应力所做的功； （7）项：单位时间单位质量水体时均运动能量耗损率。 如以表示脉动运动的能量，则得其控制方程为 （2.3.4） 式中各项意义如下： （1）项：单位时间单位质量水体脉动运动动能的变化； （2）项：单位时间单位质量水体脉动运动总动水压强所做的功； （3）项：单位时间单位质量水体脉动运动紊动切应力所做的变形功； （4）项：单位时间单位质量水体脉动运动黏性切应力所做的功； （5）项：单位时间单位质量水体脉动运动能量耗损率。 比较平均运动和脉动运动的能量方程可知，两方程中都有紊动切应力所做的变形功项，但两者之间相差一符号，也即如变形功为正，则通过该项从平均运动中抽取能量传递至脉动运动；反之，如变形功为负，则通过该项从脉动运动中抽取能量传递至平均运动，所以变形功项只起能量传递作用而不消耗能量。
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