下载文档原格式
液体运动的流束理论本章先建立液体运动的基本概念,然后依据流束理论,从质量守恒定律出发建立水流的连续性方程、从能量方程出发建立水流的能量方程，以及从动量定理出发建立水流的动量方程。
1、描述液体运动的两种方法：拉格朗日法和欧拉法。
拉格朗日法，以研究个别液体质点的运动为基础，通过对每个液体质点运动规律的研究来获得整个液体运动的规律性，所以这种方法又称为“质点系法”。
欧拉法，以考察不同液体质点通过固定的空间点的运动情况来了解整个流动空间的流动情况，即着眼于研究各种运动要素的分布场，所以这种方法又叫做“流场法”。
2、恒定流与非恒定流恒定流：在流场中，任何空间点上所有的运动要素都不随时间而改变，即“运动要素仅仅是空间坐标的连续函数，而与时间无关”。
非恒定流：流场中任何点上有任何一个运动要素是随时间而变化的。
3、迹线与流线迹线，拉格朗日法研究个别液体质点在不同时刻的运动情况而引出的，是指某一液体质点在运动过程中不同时刻所流经的空间点所连成的线，即液体质点运动时所走过的轨迹线。
流线，欧拉法考察同一时刻液体质点在不同空间位置的运动情况引出的，是指某一瞬时在流场中绘出的一条曲线，在该曲线上所有各点的速度向量都与该曲线相切。
流线具有瞬时性（对于非恒定流来说，其图形会随时间变化），迹线没有瞬时性；流线与迹线都具有族线。
流线的基本特性：1恒定流时，流线的形状和位置不随时间而改变；2恒定流时液体质点运动的流线与迹线相重合；3流线不能相交。
4、流管、微小流束、总流，过水断面、流量与断面平均流速流管：在水流中任意一微分面积dA ，通过该面积的周界上的每一个点均可作一根流线，这样就构成一个封闭的管状曲面，称为流管。
微小流束：充满以流管为边界的一束液流，称为微小流束。
微小流束性质：1微小流束内外液体不会发生交换；2恒定流微小流束的形状和位置不会随时间而改变，非恒定流时将会随时间而改变；3横断面上各点的流速和压强可看作是相等的。
总流：任何一个实际水流都具有一定规模的边界，这种有一定大小尺寸的实际水流称为总流。
高速水流科学名词高速水流是指因流速较高而出现空化、掺气、冲击波、强烈脉动等一种或多种特殊现象的水流。
出现高速水流现象的界限流速，随水流条件、边界条件以及不同特殊现象等因素而变。
空化液体内局部压强降低时，液体中未溶微气泡（空化核）迅速长大而形成空泡的现象。
天然液体中都含有空化核，高速水流可导致液体局部压降而形成空化。
空化状态可用空化数σ描述，其表达式为：式中p∞及υ∞分别为来流压强及流速；ρ为液体密度；pv为相应液体温度下的饱和蒸汽压强。
临界状态时的空化数称临界空化数σcr它又可分为初生空化数σi（未空化过渡到出现空化的临界状态）及消失空化数σd（已空化过渡到空化消失的临界状态)。
临界空化数随流动的边界条件等而异。
对于平顺光洁的边界，临界空化数较小。
当水流的空化数σ与相应流动边界的临界空化数σcr相比较后，即可判明空化是否发生。
σ≤σcr，发生空化；σ>σcr，不发生空化。
水流发生空化后,若下游动水压强升高,则空化消失，空泡溃灭，并形成极高的冲击压强。
若空泡在固体边界附近溃灭,高压冲击招致材料的剥蚀损坏,则称为空蚀。
空化还会招致振动、噪声和机械效率降低等后果。
空化现象于20世纪初最先在船舶螺旋桨中发现，30年代后在高水头泄水建筑物中大量呈现。
在设计高水头泄水建筑物时，要注意避免过低的局部压降而出现空化，可在可能出现的空化区通入空气以缓冲空泡溃灭时的冲击，减免对边界材料的空蚀破坏。
掺气高速明渠水流的水、气界面附近向水体中自动掺入空气的现象。
掺气水流为气、液两相流，常发生在陡槽及溢流高坝的泄流中。
水流掺气的成因，主要有表面波破碎而招致掺气及紊流边界层发展到水面而形成掺气等两种观点。
前者把水流自由表面的掺气看成是波浪现象。
当流速足够大时，导致水流表面波浪破碎，从而卷入空气。
后者认为水流掺气是水质点高度紊动的结果。
由于水流表面的紊动，使水质点的动能足以克服表面张力而跃离水面；水滴下落时卷入的空气，又因水流内部的紊动而挟入水面下一定深度。
1.高速水流: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、结构振动、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。
2.均匀紊流：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。
3.自由切变紊流：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。
4.边壁切变紊流：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。
5.脉动壁压：脉动壁压是作用在结构壁(表)面上紊流脉动压强的简称。
6.掺气水流：泄水建筑物过流时，由于水头高、流速大，或者水流表面或过流边界突变，造成大量的空气掺入水流中，此种局部区域或整体区域掺有大量空气的水流称为泄水建筑物过流时，由于水头高、流速大，或者水流表面或过流边界突变，造成大量的空气掺入水流中，此种局部区域或整体区域掺有大量空气的水流称为掺气水流。
7.自然掺气水流：在水流流动过程中，过流边界与水流流态没有突变，仅靠水流紊动而使空气通过水面(水气交界面)进入水流，由此而形成的掺气水流称为自然掺气水流。
8.强迫掺气水流：水流在流动过程中受到某种干扰，如过流边界突变(闸门槽、闸墩、通气槽等)、或水流流态突变(竖井溢洪道、水跃等)、或水流碰撞与交汇，由此而形成的掺气水流称为强迫掺气水流。
9.气泡上升终速：气泡在水流中由静止状态而上升时，在初始阶段处于加速状态，但随着速度的增加，气泡所受阻力也相应增加，最终当气泡所受阻力与浮力相平衡时，气泡将匀速上升，此时气泡上升速度称为气泡上升终速。
10.溢流边界层：指的是在重力作用下具有自由表面的水流流经固体边壁所形成的边界层。
11.水舌空中消能率：为其空中能量损失与其在挑坎处的总能量之比。
差动式挑流鼻坎：差动式挑流鼻坎由两种挑角的一系列高坎与低坎相间布置所构成，也称齿槽式鼻坎。
水流掺气对明流泄洪洞及挑坎水力特性的影响王才欢;侯冬梅;张晖;聂艳华【摘要】水流充分掺气可以避免高流速泄洪设施发生空蚀,但也会改变相关水力特性.通过对某大坝泄洪洞掺气设施水力模型试验及关于水流表面自掺气发生条件的相关分析,提出了在全程流速超过38 m/s,长度达550 m的明流洞内仅布置一级掺气设施的建议,较通常情况减少了两级;并针对泄洪洞出流方向与河道流向交角达60°的特点,研究提出了一种大差动异型鼻坎消能工.水工模型试验成果表明,其挑流水舌沿河道纵向扩散良好,水舌外缘与河道对岸保持了30 m以上的安全距离.该泄洪洞建成后经历了高水头、较长时间的泄洪运行,明流洞和鼻坎消能工均无空蚀发生,但挑坎水舌却冲刷到对岸边坡.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2017(048)023【总页数】6页(P74-78,88)【关键词】明流泄洪洞;水流掺气;异型鼻坎消能工;减阻增速效应;水舌挑距【作者】王才欢;侯冬梅;张晖;聂艳华【作者单位】长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010;长江科学院水力学研究所,湖北武汉430010【正文语种】中文【中图分类】TV653向水流中掺气是高流速泄洪设施减免空蚀破坏最经济、最有效的工程措施之一。
水流掺气分为人工强迫掺气和水流自掺气两种；人工强迫掺气是利用固体边界的突变形成水流掺气空腔，射流水体与壁面碰撞后吸走空腔中大量的空气，其特点是掺气水流仅局限于空腔以下一定范围内，且沿程掺气浓度衰减很快；而水流自掺气是指明流泄槽(或泄洪洞)内流速达到一定程度后，大量空气自水面掺入到水流中，并向水流底部发展的过程，其特点是水流中的平均掺气浓度沿程逐渐增大，并最终形成掺气均匀流。
在高流速、长距离明流泄洪设施内，水流中掺入空气为其减免空蚀破坏带来了益处，是工程师们乐于看到的效果[1-2]。
国家开放大学电大水利水电工程建筑物作业3答案一、单项选择题试题1：( )是在坝趾下游设消力池、消力坎等，促进水流在限定范围内产生水跃，通过水流内部的旋滚、摩擦、掺气和撞击消耗能量。
标准答案1：底流消能试题2：( )是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后，形成强烈的旋滚，大部分能量消耗在水滚的摩擦中。
标准答案2：挑流消能试题3：( )适用于中、低坝或基岩较软弱的河道，高坝采用底流消能需经论证。
标准答案3：底流消能试题4：当空化水流运动到压力较高处，在高压作用下气泡溃灭，伴随有声响和巨大的冲击作用。
当这种作用力超过结构表面材料颗粒的内聚力时，便产生剥离状的破坏，这种破坏现象称为( )。
标准答案4：空蚀试题5：水流在曲面上行进，由于离心力的作用，或水流受不平整表面的影响，在贴近边界处可能产生负压，当水体中的压强减小至饱和蒸汽压强时，便产生( )。
标准答案5：空化试题6：高水头溢流坝为了防止空蚀破坏可以采取以下什么措施？( )。
标准答案6：设置掺气减蚀装置试题7：溢流坝下游反弧段的作用是( )。
标准答案7：使溢流坝面下泄的水流平顺地与下游消能设施相衔接试题8：溢流坝的工作闸门应满足( )。
标准答案8：动水中启闭试题9：溢流坝的检修闸门应能( )。
标准答案9：静水中启闭试题10：过堰水流约转90度后，再经泄槽泄入下游的岸边溢洪道，称为( )。
标准答案10：侧槽式溢洪道二、多项选择题试题11：关于消能工的设计原则，说法正确的有（）。
标准答案11：不产生危及坝体安全的河床冲刷或岸坡局部冲刷; 结构简单，工作可靠; 下泄水流平稳，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行; 尽量使下泄水流的大部分动能消耗于水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上试题12：拱坝常用的坝顶溢流方式有（）。
标准答案12：鼻坎挑流式; 自由跌流式; 滑雪道式试题13：常用的水闸闸孔形式有（）。
标准答案13：孔口型; 低实用堰; 宽顶堰试题14：常见的底流消能防冲设施有（）。
掺气水流产生的条件一、引言掺气水流是指在水流中加入气体，形成气液两相混合的流动状态。
掺气水流在许多领域中都有广泛的应用，如水处理、环境工程、化工等。
了解掺气水流产生的条件对于优化工艺、提高效率具有重要意义。
二、流体参数1. 气体流量：掺气水流的产生需要一定的气体流量，过低的气体流量会导致气液混合不充分，过高则会形成泡沫。
因此，合适的气体流量是产生掺气水流的基本条件之一。
2. 水流速度：水流速度影响掺气水流中气体的分散程度。
当水流速度较低时，气体容易聚集在一起形成大气泡；当水流速度较高时，气体则更容易分散在水中形成细小气泡。
因此，适宜的水流速度也是产生掺气水流的重要条件之一。
3. 水深：水深也会对掺气水流的产生起到一定影响。
一般来说，水深较深时，掺气水流的产生更容易，因为水深能提供更多的空间让气体分散。
三、气液界面特性1. 气泡尺寸：气泡的尺寸对于掺气水流的产生有重要影响。
较小的气泡能够更容易被水流带走，形成稳定的掺气水流。
而较大的气泡则不容易在水中分散，容易形成气团。
因此，掺气水流的产生需要气泡尺寸适中。
2. 气泡浓度：气泡浓度是指单位体积内气泡的数量。
较高的气泡浓度能够增加气体与水的接触面积，有利于气体的溶解和吸附，从而形成稳定的掺气水流。
四、装置特性1. 掺气装置：为了产生掺气水流，需要使用特定的掺气装置。
不同的掺气装置有不同的工作原理，如扩散器、喷射装置、旋流装置等。
合理选择和设计掺气装置对于产生稳定的掺气水流至关重要。
2. 掺气方式：掺气水流可以通过不同的方式实现，如直接通入气体、通过气泡发生器引入气体等。
根据具体应用需求，选择合适的掺气方式也是产生掺气水流的重要条件之一。
五、实验条件1. 温度：掺气水流的产生与温度密切相关。
一般情况下，温度较高时气体更容易溶解在水中，从而形成稳定的掺气水流。
2. 压力：掺气水流的产生需要一定的压力驱动。
合适的压力可以促使气体与水充分混合，形成稳定的掺气水流。
![水力学基础概念[整理版]](https://uimg.taocdn.com/3bd0800bdd88d0d233d46ade.webp)
水力学基础概念[整理版]目录绪论: .................................................................... .......................... 2 第一章:水静力学...................................................................... ....... 2 第二章:液体运动的流束理论 ........................................................... 3 第三章:液流形态及水头损失 ........................................................... 4 第四章:有压管中的恒定流............................................................... 5 第五章:明渠恒定均匀流 (6)第六章:明渠恒定非均匀流............................................................... 7 第七章:水跃...................................................................... .............. 8 第八章:堰流及闸空出流 (9)第九章:泄水建筑物下游的水流衔接与消能 .................................... 10 第十一章:明渠非恒定流 (11)第十二章:液体运动的流场理论...................................................... 11 第十三章:边界层理论....................................................................12 第十四章:恒定平面势流 (13)第十五章:渗流 ..................................................................... ......... 13 第十六章:河渠挟沙水流理论基础 .................................................. 14 第十七章:高速水流 ..................................................................... .. 14绪论:1 水力学定义:水力学是研究液体处于平衡状态和机械运动状态下的力学规律，并探讨利用这些规律解决工程实际问题的一门学科。
《泄水建筑物高速水流设计》课程教学大纲英文名称：High-speed Current Design of Outlet Structure课程编码：080820027总学时：32 实验学时：0 学分：2适用对象：水利水电工程专业卓越工程师先修课程：《水力学》、《水工建筑物》、《高等数学》等大纲主撰人：大纲审核人：一、课程的性质与任务《泄水建筑物高速水流设计》是水利水电工程专业卓越工程师的一门主要专业选修课。
通过本课程的学习，使学生掌握高速水流运动的基本概念和研究方法，理解高速水流特殊的水力现象的特点，激发学生对高速水力研究课题的兴趣。
二、教学内容及要求掌握高速水流运动的基本概念与研究方法；对基本概念与研究方法的要求并重。
通过课堂讲解和相关书籍、文献的阅读，掌握常见的高速水流特殊的水力现象，并初步了解这些水力现象目前的国内外研究进展，同时能知晓这些特殊水力现象的危害，在将来的工程设计中最大限度的避免或预防，以保证实际工程的安全运行。
（一）绪论1、授课学时：2学时2、教学内容：（1）高速水流的概念（2）高速水流存在的特殊水力学问题（3）高速水流的研究方法（4）课程主要内容3、教学要求：了解高速水流的基本概念；熟悉高速水流的特殊水力学问题以及高速水流的研究方法。
4、教学重点及难点：（1）重点：高速水流的特殊水力学问题；高速水流的研究方法。
（二）高速水流的紊动1、授课学时：2学时2、教学内容：（1）高速水流的紊动特征及紊流运动分类（2）高速水流运动的数学模型（3）脉动壁压3、教学要求：了解高速水流运动的数学模型；了解紊流特征量及其计算；熟悉脉动避面压力的测量方法；掌握高速水流的紊动的特征及紊流运动的分类。
4、教学重点及难点：（1）重点：高速水流的紊动的特征及紊流运动的分类。
（2）难点：脉动壁压的形成机理、压力传感器形状与尺寸对脉动壁压实测特征值的影响。
（三）高速水流的掺气1、授课学时：6学时2、教学内容：（1）掺气现象及其影响（2）高速水流掺气机理（3）气泡在流场中的运动形态（4）高速水流的自然掺气（5）高速水流的强迫掺气3、教学要求：了解掺气现象及其影响；了解高速水流掺气机理；熟悉明渠中的掺气水流和高速挑射水流的掺气；熟悉跌落水流的掺气和水跃的掺气；掌握各种基本掺气设施有的优缺点。
掺气减蚀简介1概述掺气减蚀措施最早应用于水力机械，在高水头泄水工程中的应用是在20世纪60年代开始的，美国的大古力坝(Grand Coulee Dam)泄水孔锥形管出口下游在屡次发生空蚀破坏后，设置了掺气槽，以后没有发生过空蚀破坏，掺气被证明是解决空蚀破坏的最有效的途径。
国内的第一个采用掺气减蚀设施的是冯家山水库的泄洪洞。
目前掺气减蚀已在溢洪道、泄洪洞、陡槽、闸下出流、竖井等高水头大单宽流量的泄水建筑物中得到广泛的应用，并取得了显著的减蚀效果和社会经济效益。
随着坝工技术的提高和水电建设事业的发展，我国高坝建设发展迅速，坝高不仅突破了200m，而且已进入300m量级，高水头、大流量泄水建筑物不断增多，与之相关联的脉动、振动、空化、空蚀、冲刷、雾化等一系列高速水力学问题日益突出，受到水利工程人员的广泛关注。
随着泄水建筑物水头越来越高，最大泄流速度高达40m/s，有的甚至超过50m/s，水流空化数大大减小，致使泄水建筑物的某些过流部位常常发生严重的空蚀破坏，空蚀破坏的强度大约与水流流速的5~7次方成比例。
空蚀不仅破坏泄流建筑物的过流表面，影响过流性能，降低泄流能力，严重时可导致泄流建筑物不能正常运行，甚至引起振动，导致工程破坏等。
总结目前泄水建筑物运行的成功经验，当过流表面的流速超过35m/s时，应设置掺气减蚀设施。
Peterka等的试验研究表明，向水流低压区通气是防止空蚀的有效方法。
当水中的掺气浓度达到C=1%~2%时，即可大大减轻固体边壁的空蚀破坏；当掺气浓度达到C=5%~7%时，空蚀破坏可完全消失。
还有一些研究表明，当水中近壁处的掺气浓度为C=1."5%~2."5%时，混凝土试件的空蚀破坏显著减少；当水中近壁处的掺气浓度达C=7%~8%时，则空蚀现象基本消失。
这是因为水中含气量较高时，增加了水气混合体的可压缩性，对气泡溃灭时所产生的冲击力起缓冲作用，减轻了它的破坏能力。
概括地讲，掺气减蚀的基本原理就是在泄槽高速水流区设置掺气坎、槽，当水流经过掺气设施时产生分离，在其下游形成掺气空腔，在高速水流的紊动作用下，迫使大量空气掺入水流中，对水流掺气，形成可压缩性的水、气混合体。
