急流冲击波和滚波课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/5,#,第八章 急流,冲击波,与,滚波,8.1,概述,在急流中，由于边界条件的变化使,水流产生扰动,，下游,形成一系列呈菱形的扰动波，这种波称为,急流,冲击波,。,在底坡,坡度大于临界,底坡坡度数倍的平直陡槽中，若槽身较宽，水深较浅,，每,隔,一段距离,后，出现一个又一个,波，其波前横贯渠,槽，,波速大于水流,流速，时常还会出现较大的波,追上较小,的波及较小,的波,合并成较大的,波，这种波动称为,滚波，,发生滚波的水流称为,超急流,。,第八章 急流冲击波与滚波,1,冲击波对水利水电工程,有两方面,不利影响,：,1,、冲击波,使水流,局部壅，故边墙必须加高,，从而加大了工程造价,；,2,、冲击,波传播到下游出口处，使水流部分集中增加了消能,的困难,。,急流冲击波和滚波课件,2,8.2,急流冲击波的形成及数学描述,8.2.1,急流,冲击波的形成,急流具有很大的惯性，当,遇到边墙偏转,的阻碍，便使边墙受到冲击作用，,边墙也,对水流施加反力，迫使水流沿边墙转向，产生动量变化，造成水面的局部扰动,。这种,扰动以波的形式在明槽内传播,。,由于急流受到边界扰动而形成的划分扰动区域的斜线称为,扰动线,。,扰动,线和原水流运动方向的夹角,1,称为,扰动角,。,边界的变化是急流中产生冲击波的,外因,，而急流的巨大,惯性则,是产生冲击波,的,内因,。,8.2急流冲击波的形成及数学描述,3,8.2.2,小波高急流,冲击波,的计算,冲击波形成后，水流的水深、流速的变化及波角的大小显然与水流原来的,性质及,引起扰动的外在条件,有关。,水流的水深、流速的,变化可用,扰动前水流的,弗劳德数表示，波,角的大小,主要,是边墙的偏转,角。,8.2.2 小波高急流冲击波的计算,4,对于小波高急流冲击波，由于波高很小，近似考虑,h,1,=h,2,，,此时的水力要素可通过下式得出,式中，,为边墙最终偏转,角，,Fr,为总偏转角对应,的值，,1,为积分常数，,当,=0,时，,Fr,为边墙发生,偏转时的,Fr,。,对于小波高急流冲击波，由于波高很小，近似考虑h1=h2，此时,5,8.2.3,大,波高急流,冲击波,的计算,如果冲击波波峰,陡峻,，扰动线两侧水深相差较大，,波角就不能,用上式进行,简化,计算,，,同时在波峰,上也,有能量损失。此时，通过下列两式确定大波高急流冲击波水力要素。,8.2.3 大波高急流冲击波的计算,6,8.2.4,冲击波的反射与干扰,水流,沿一侧偏转的边墙的流动，而末考虑,对岸边墙传来,的扰动的影响。实际上，在泄水建筑物中由两岸,边墙产生,的,冲击波相互,干扰，使波加强或减弱，从而在下游形成复杂的扰动波形图,。,根据冲击波之间反射与干扰的原理，可以设法消除扰动波,。,A,点产生一个负波,(,水面跌落,),，以波,角横穿,渠槽传,到,B,点，,B,点,反射的负波扰动线将与,B,点因边墙向内偏转所产生的正波,(,水面蛮高,),扰动,线相重合，正、负波相互抵消，所以不再有扰动,产生。,8.2.4 冲击波的反射与干扰,7,8.3,急流收缩段冲击波计算,8.3.1,急流收缩段的合理曲线,对于长度,相同的同一收缩段,，缓流时收缩,段采用渐变曲线连接时水流流态最好。在通过急流的直槽中,，一般采用两侧对称的,逐渐收缩的边墙,，可以是直线,收缩段和两个反圆弧渐变收缩,段。,8.3急流收缩段冲击波计算,8,急流,中边墙,收缩产生冲击波的,最大波高是由总偏转角决定，和边墙的偏转过程,无关。,对于,长度相同的收缩段，直线收缩段的总,偏角,比单曲线渐变,收缩段的总,偏角,及,反曲线渐变收缩段的总,偏角 都,要小，因此,，直线收缩段的冲击波最低。,急流中边墙收缩产生冲击波的最大波高是由总偏转角决定，和边墙的,9,8.3.2,直线,收缩段冲击波,的计算,一般已知,确定 。,8.3.2 直线收缩段冲击波的计算一般已知,10,8.4,急流扩散段冲击波计算,明渠急流扩散段的主要扩散形式有三类：,1,、平底,明渠,扩散段；,2,、陡坡,明渠,扩散段；,3,、反,弧,(,凹曲面,),段。,8.4急流扩散段冲击波计算,11,8.4.1,平底明渠扩散段,1,、平底明渠突扩段,对于突扩在有限宽度的槽道内,8.4.1 平底明渠扩散段,12,2,、平底明渠渐扩段,边墙曲线的最佳形式为：,2、平底明渠渐扩段,13,2,、平底明渠渐扩段,边墙曲线的最佳形式为：对于不同,b,2,/,b,1,，边墙形式如图。,2、平底明渠渐扩段,14,3,、圆形隧洞出口后的矩形扩散段,明渠扩散段边界计算方法：,扩散点位置：,扩散角：,x,为隧洞出口至边墙扩散点的距离，,d,为隧洞直径，,Fr,1,为隧洞出口处水流弗劳德数。,3、圆形隧洞出口后的矩形扩散段,15,8.4.2,陡坡,明渠扩散段,适用于,p,=0.5,10m,，,tan,=1/1.5,1/5,。,8.4.2 陡坡明渠扩散段,16,8.5,急流弯道冲击波计算,8.5.1,急流弯道冲击波形态,8.5急流弯道冲击波计算,17,8.5.2,较大半径情况下急流冲击波的计算,1,、试验结果,8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算,18,8.5.2,较大半径情况下急流冲击波的计算,2,、小扰动法理论成果,水平弯道最大水深与上游来流,水深之差,扰动周期,8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算,19,8.5.2,较大半径情况下急流冲击波的计算,2,、小扰动法理论成果,纵向底坡为,的弯道最大水深,与上游来流水深之差,扰动周期,8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算,20,8.5.2,较大半径情况下急流冲击波的计算,2,、小扰动法理论成果,水平弯道最大水深与上游来流,水深之差,扰动周期,8.5.2 较大半径情况下急流冲击波的计算,21,8.5.3,较小半径情况下急流冲击波的计算,对于小半径的宽浅式弯道,，,当,弯道,半径与渠宽之比,于,r,0,/,b,10,，急流水深与,渠宽之比较,小，且底,坡较大,，则流经弯道的水流在凹岸因冲击而破裂，在凸岸,则脱离,边墙，甚至还会出,现局露底现象，此时,最大水深可能,位于弯道,末端，,严重者,甚至位于下游直槽中,。建议估算最大水深,h,m,的,经验公式,为,估算最大水深出现纵向位置的经验公式为：,8.5.3 较小半径情况下急流冲击波的计算,22,8.5.4,弯道上急流冲击波的控制,为了控制冲击波的形成而加高边墙是不经济的，因此设计急流陡槽宜尽量,避免设置弯道段，以免造成冲击波超高。,从冲击波的特性出发考虑,合理的消减冲击波的方法。,主要有两种方法：,复合曲线法、槽底横向超高法,。,8.5.4 弯道上急流冲击波的控制,23,8.5.4,弯道上急流冲击波的控制,1,、复合曲线法,由于扰动波有正有负，因此可以考虑加入扰动波，使新加扰动波与原扰动波之间相互干涉达到消减的目的。复合曲线法即在此思路上引入两段曲线，分别位于曲线段的前后进行消减冲击波，引入曲线段的曲率半径为原曲线段半径的,两倍，中心角应为：,8.5.4 弯道上急流冲击波的控制,24,8.5.4,弯道上急流冲击波的控制,2,、槽底横向超高法,该法是,从消除边墙对水流造成的扰动来考虑。,由,弯道曲线,段的起点逐渐降低槽底的内侧，,或抬高外,侧，或联合进行，以形成一定的,横向坡度，这样,便有重力沿横向坡度方向的分力作用于水流的每个质点，使其有,向心,的加速度能够自由转弯。这时边墙对水流的作用和在直段一样，不另外施加,侧力,迫使水流转向，因此就不会产生扰动,。,槽,底横向坡度为：,8.5.4 弯道上急流冲击波的控制,25,8.6,滚波现象,滚波与,冲击波是完全,不同,的。冲击波是由于,边界改变而,产生，其,波动形状及,位置都是,固定的。而滚波则破坏了水流,的恒定,状态。滚波的产生使陡槽水面突然升高,，要求,边墙加高；,同时，增加,了下游,消能的困难。,8.6滚波现象,26,在,一般陡槽,中，水流,在重力、惯性力,及摩,阻力作用下维持平衡。当局部干扰引起,波动后，由于,摩阻力,的作用,，波高逐渐,衰减至消失。在,底,坡较大,的陡槽,中，重力,的分力及,惯性力大，摩,阻力,相对减小，摩,阻力不,足以衰减扰动波。,波高反而不断沿流程增长,，就,形成,了滚波。,因此，,陡槽摩阻力,相对太,小是形成滚波的根本原因,。,在一般陡槽中，水流在重力、惯性力及摩阻力作用下维持平衡。当局,27,