泄水建筑物高速水流设计.doc

1、层流与紊流的本质区别是什么？答：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。注：紊动黏性系数又称为紊动扩散系数。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。2、 与处于中、低速运动的水流相比，高速水流的流动特性有哪些新的变化？答：1、高速水流通常为复杂边界条件下的多相体系紊流。2、高速水流与过流边界之间的相互作用更加突出。3、高速水流中惯性力的作用更加突出。3、 高速水流存在哪些特殊的水力学问题，请简要说明。答：1、高速水流的紊动与流激振动2、高速水流的掺气3、高速水流的消能4、空化空蚀5、高速水流的雾化6、急流冲击波与滚波4、高速水流的研究方法有哪些？答：理论分析、试验研究、数值计算、原型观测。1、高速水流的紊动有哪些特征，请简要说明。答：高速水流的紊动既具有一般紊流运动的特征，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。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，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。2、 紊流模型有哪些？答：雷诺应力模式(RSM)、代数应力模式(ASM)、K-两方程模式和紊流半经验理论3、 用于描述紊流随机场的低阶统计量有哪些？答：均值；均方值(包括均方根值)；概率密度函数；相关函数；谱密度函数。4、 水利水电中的脉动壁压研究主要集中在哪些方面？答：(1)脉动壁压的形成机理；2)高速水流单点脉动壁压统计特性；(3)高速水流脉动壁压的空时相关及波数频率谱特性；(4)压力传感器形状与尺寸对脉动壁压实测值的影响。5、 压力传感器形状与尺寸对脉动壁压实测特征值有什么影响？答：（1）在波数一定的条件下，压力传感器直径越大，高波数谱密度的衰减越大。对给定的压力传感器，波数越高，其谱密度的衰减越大。（2）压力传感器直径越大，所实测山的脉动壁压强度越低，（3）压力传感器直径越大，作用于其上的紊流中的各种“基本”结构数也越多。1、水流掺气对水利工程有哪些影响？答：(1)泄水建筑物过流边界附近掺气可以减免空蚀破坏(2)挑射水流在空中的扩散掺气可以减小水流进入下游水垫的有效冲刷能量，从而减小水流对下游河床的冲刷。(3)水垫或水跃中掺气以后，由于水流吸入大量空气，增强了紊动摩擦，由此也可消耗一定的能量。(4)水流掺气使水体膨胀，水深增加，因而需加高溢洪道边墙，对明流隧洞则要求加大余幅。2、 自然掺气水流的掺气机理是什么？答：其一是水气交界面上的水面波失去稳定，在波破碎过程中将空气卷入水流中，这是水流能够掺气的首要条件；其二是水气交界面附近的紊动足够强烈，以至于水滴在垂直于水气交界面方向上的动量能克服表面张力的作用，于是水滴跃离水气交界面，在下落过程中与水气交界面碰撞而使水流挟气，并进而通过紊动扩散作用将水面附近挟入的气泡输运至水流内部，这是水流掺气的必要条件。掺气观测方法有哪些？答：(1)取样法：一般常用负压取样器，通过对样品的水、气分离处理测得掺气量。(2)电测法：一般有电阻法、电容法多种，常用电阻法。其工作原理系用水和空气的导电率不同，水气混合后的导电能力随水中掺气量的多少而异。4、 泄水建筑物主要应用的基本掺气设施有哪些？答：（1）掺气挑坎（2）掺气跌坎（3）掺气槽各种基本掺气设施有什么优缺点？答：（1）掺气挑坎，使用挑坎使水流向上挑射，脱离坎的下边界。当挑坎具有一定的高度时，就能在坎下成空腔，在各级水头和流量下均可以形成一定长度的稳定空腔，使水流掺气。但当挑坎的高度过低时，水舌下底缘的反向漩滚会淹没空腔;挑坎高度过高时，一方面射流水舌回落到底板的冲击压强较大，另一方面对原水面扰动较大，会抬高水面高度，在明流泄洪洞中可能造成封顶的现象，威胁洞身安全。加设适当的挑坎高度，基本不变动原过流边界，在新建和改建工程中都可以采用，但它对过流建筑物流态影响比较大。（2）掺气跌坎，采用上下游过流边界错开一定的高度，形成一跌坎，使水舌脱离坎的下边界，形成空腔进行掺气。对原水流的扰动较小，水舌落水对底板的冲击力也小，不致产生冲击波。一般在新建工程中采用，为了得到相同的空腔长度，掺气跌坎的高度要高于挑坎。（3）掺气槽，在泄水建筑物过流面上垂直于水流方向构筑一掺气槽，其作用是在射流形成空腔的情况下，用以增大空腔体积，保证正常通气。掺气槽的尺寸大小应该满足布置通气出口的要求。6、 掺气减蚀设施研究中存在哪些问题答：（1）机理研究落后于工程实践（2）传统的掺气减蚀设施的型式尚无法满足各种复杂条件下的工程需求（3）非均匀流段掺气水流运动特性有待深入认识（4）空腔回水问题四、计算题1、对于矩形明渠，假设掺气水流中的空气是均匀分布的，已知掺气前的水深为2m，掺气后的水深为2.5m，试根据“增胀”概念求掺气后的水流含气浓度（未掺气水流与掺气水流流速相等）。答： h与ha分别表示未掺气与掺气水流的水深1、窄缝挑坎的消能机理是什么？答：急流通过收缩边壁时，形成冲击波导致沿垂向各质点的速度具有不同的倾角，其趋势为愈近自由表面倾角愈大。水流出收缩段后，各质点继续沿不同方向运动，由于流速的垂向分量远大于其横向分量，故水舌的垂向扩展常比横向扩展更充分，由此导致水舌的纵向入水范围大大增加，水舌的有效冲剧能力也相应减小。2、 坝面溢流段水流运动计算有哪些方法？答：1采用紊流模型和相应的数值计算方法进行计算。2是采用双层模型进行计算 3完全忽略黏性作用将溢流坝面全区的水流运动看成是势流运动，直接用势流理论进行计算 4运用水力学的方法直接建立挑坎处的水力要素与上、下游水位差及流量等之间的关系，再运用试验及原型观测资料确定其中的有关系数。3、 基岩冲刷机理是什么？答：过去有人认为由于基岩本身强度不够，水流能从表面对岩基进行剥蚀，或由于岩基表面凹凸不平，在高速水流作用下“凸体”的下游侧会因空蚀而引起岩基破坏。但现在一般认为，作用于节理、裂隙及层面的动水压力，是在岩基冲刷破坏中起重要作用的破坏力。还有人将岩基破坏过程分解为：解体过程，即岩基的完整性被破坏；拔出过程，即岩块脱离岩床；搬运过程，即大部分岩块被水流向下游搬运，而仅靠水流作用力无法搬运的大岩块则停留在冲刷坑中4、 影响局部冲刷坑的水力因素有哪些？答：上下游水位差、水流入水的单宽流量、水舌入水角、水舌的散裂和掺气程度、坝面溢流段及空中掺气扩散段的能量耗损，以及水流入水的流速分布与下游回流情况等，其中水流入水的单宽流量和上下游水位差影响最大，是主要因素5、 溢流边界层与一般绕流边界层有哪些不同？答：溢流边界层是在具有自由表面的有限水深的水流中产生的，因而边界层有可能包括全部水深，在不少情况下，边界层厚度与水深同数量级；质量力对边界层的发展起着重要作用，坝面溢流所形成的边界层属溢流边界层的一种，对此种边界层，重力与离心力在边界层的形成与发展中均起着重要作。6、 挑流鼻坎按照设置高程可以分为哪几种？答：有设于坝顶附近的高鼻坎、坝身中部的中鼻坎、接近尾水位的低鼻坎以及尾水位下的淹没鼻坎。7、 底流消能水跃可划分为哪几种基本形式？答：弱水跃颤动水跃稳定水跃强水跃8、 底流消能辅助消能工有哪些形式？每种形式有什么作用？答：a、趾墩，其主要作用是使进入消力池的急流在垂向上扩散，并在横向上分散为多股，从而使弗劳德数有所下降，跃后水深有所减小。b、前墩，前墩设置于水跃前部，其辅助消能作用大，在促使强迫水跃形成及缩短消力池长度方面的作用也比较明显。c、后墩，后墩设置于水跃区后部。由于其位置偏后，因此冲向后墩的流速较低，其辅助消能效果也不是很显著，一般用于改善水跃流态。d、尾槛，尾槛设置于消力池末端，具有辅助消能作用，还可控制出池水流的底部流速。此外，槛后还可形成小的底部横向环流，防止在尾槛下游出现较深的贴壁冲刷。9、 跌坎面流和戽斗面流的共同点是什么？答：来流离开跌坎或戽斗后，高速水股在下游水面；底部有顺时针横轴漩滚；表面可能有12个逆时针横轴漩滚(取决于下游水深条件)，也可能没有表面漩滚(下游水深不太大时，出现跌坎自由面流)；曲率显著的主流水股夹在底、表漩滚之间紊动扩散，尾部缓流水面的波浪较大，并延续较长距离；主流水股与漩滚间的紊动剪切面以及漩滚本身是消散动能的主要部位。10、跌坎面流和戽斗面流消能的主要区别是什么？答：跌坎位置较高，坎顶水平或只有小挑角，主流水股的曲率较小，横轴漩滚的强度较小，跌坎附近集中消能有限，下游波浪延伸较远；戽斗位置低而挑角大(常用45。)，有较大的斗内空间，出戽斗的高速水股形成明显涌浪，水股和涌浪的曲率都较大，表面横轴漩滚(特别是戽斗内漩滚)强度较大，消能率较高，下游也有波浪问题，但不如跌坎面流突出。11、 台阶式溢洪道和多级跃水流动的区别是什么？答：跌水的水舌下缘与大气相通并具有自由面，而台阶式溢洪道底部的水流运动则由众多漩涡所构成。12、 自由跌落消能的适用条件是什么？答：它只适用于坚硬岩基，旦坝虽较高但单宽泄流量较小的情况，而且坝脚附近往往还要设钢筋混凝土护坦防冲，必要时还要保护两侧岸坡13、 宽尾墩出流具有哪些特点？答：(1)坝面水流三面接触空气，并有水翅、空腔等流态，水流与空气的接触面积大大增加，而且两个侧面的水流都是紊流，因而水流的掺气量亦随之增加，有利于坝面的防蚀。墩后大面积的无水区更可降低对施工平整度的要求。(2)水冠是由相邻水股碰撞、顶托形成，而水股又在不断摆动，所以对水冠的扰动较大，使其掺气量更加增大。即使在模型中挑流水冠亦呈气、水混合的乳白色状态，可以推测在原型中其掺气量将更大。(3)由于坝面水流掺气和水股互相碰撞等因素将使水流动能损失增加。同时由于挑射水流高、低相间，挑流水舌呈高而薄的雄鸡尾状，落点分散，空中消能率和水垫消能率都大幅度提高。14、宽尾墩出流消能原理是什么？答：宽尾墩本身不独立工作，但一系列宽尾墩作为溢流坝闸墩而与底流或挑流或戽流消能工组成联合消能工运行后就会产生极佳的水力特性和消能效果。水流通过相邻宽尾墩分隔而成的闸室时，由于过水宽度沿程收缩，墩壁转折对急流的干扰交汇，形成冲击波和水翅，坝面水深增加23倍，有如一道窄而高的“水墙”，其与空气的接触面积增加，掺气量也相应增大。水流跌入反弧段时，由于弧面影响，横向扩散加强，并与邻孔水流相互碰撞顶托而向上壅起，形成很高的水冠挑射出去。四、计算题1、对于直墙式宽尾墩，已知墩头和墩尾的宽度分别为0.5m和1.5m，宽尾墩进流宽度为3m，始折点距宽尾墩末端的纵向长度为2m，求宽尾墩的收缩比和尾端折角。1、泄洪洞发生空蚀破坏具有哪些特点？答：(1)水头高。从94155m之间；(2)流速大。从3849ms之间；(3)发生空蚀时的实际泄流量大多没有达到设计流量；(4)水流空化数（气穴数）很低，均小于0.15；(5)破坏范围大，破坏区长度在2750 m之间，深度214m之间。2、 空化现象所造成的影响主要有哪些？答：(1)造成建筑物表面的空蚀破坏。(2)改变液体的动力学特性(3)引起结构物振动(4)产生噪声3、 造成空蚀破坏的机理是什么？答：1、冲击波，认为空蚀是由于空泡溃灭所形成冲击波将其所产生的巨大压强作用到边壁上，对边壁造成强烈破坏而形成的。2微射流空泡在压强梯度作用下在边壁附近溃灭时，空泡形状将由原来的球形变为扁平型或元宝型，最后分裂成两个小气泡而消失，在两个小气泡中间形成微射流。4、 形成空蚀水流条件是什么？答：1,、水流中需含有气核，2、要有局部低压区3、气核增长形成的空泡要带到高压区4、气泡破裂应在边壁附近发生5、 低压区形成的原因有哪些？答：1、边界突变，在固定空腔内形成；2、由于大雷诺数情况下产生发卡涡，涡面小，在涡丝中心处压力低，形成局部低压区。6、 泄水建筑物发生空蚀破坏的原因？答;1、由于体型不合理，致使某些局部区域水流的压强较低2、由于混凝土表面局部区域不平整，如存在粗糙体、施工残留钢筋头、错台及泥沙的磨蚀破坏等，其均可使水流发生局部分离，形成局部低压区，造成空蚀破坏7、 泄水建筑物易受空蚀破坏的部位有哪些？答：溢流坝面、泄洪洞、闸门和闸室、消能工和分流墩8、 水流空化数的表达式及其中各参数的意义。答：水流空化数 以P0与PV分别表示来流压强与水的汽化压强，u0表示水流流速，参照欧拉数的定义构成以下的无量纲数K无量纲数K称为水流空化数，其为表示来流是否容易空化的参数越小，形成空化的可能性越大。9、 如何判断某一形状的固体边界是否会发生空化。答：水流流经某一形状的固体边界是否会发生空化，要通过比较水流空化数K及初生空化数Ki才能加以确定。如K Ki ，水流无空化；如K Ki则刚刚发生空化；但如K Ki，则己发生空化且(Ki -K)值愈大，水流中空化的强度与范围愈大。10、减免泄水建筑物空蚀破坏的方法有哪些？答：(1)选用合理的过流边壁体型；2)改进施工工艺，提高过流边壁的平整度；(3)选用抗蚀性能较强的材料；(4)掺气减蚀。11、 简述主要的几种掺气减蚀机理。答；1、由于掺气水流中的泡内存在着不凝结的气体，因而延缓了空泡溃灭的时间，减少了空泡溃灭时的冲击力2、向水流通入足够数量的的空气可以有效地破坏负压，使绝对压强大于水流的气化压强，同时由于水流密度及流速分布的变化使当地的水流空化数相应提高，从而避免空蚀发生。3、近壁的水体掺气以后，形成一层刚性很小的可变形层，它对溃灭空泡有排斥作用，使它远离固壁并使溃灭空泡的微射流改变方向，因而是壁面不再承受由空泡溃灭微射流转化的最大溃灭压强，同时因溃灭空泡移离壁面，也消减了作用在壁面的最大辐射压强，从而减轻了空泡溃灭的破坏作用。12、 按体型分，掺气设施分为哪几种？答：掺气槽、掺气挑坎、掺气跌坎、混合式掺气坎1、简述挑流消能雾化水流发生的机理？答：当水流从挑坎挑出后，因水舌在空中掺气散裂及水舌入水时的溅水而形成雾化水流。2、 说明挑流消能雾化水流的模型试验主要测量哪些参数及参数的测量方法？答：雨量、风速、水滴挑射角 雨量筒法、风速仪测量、滴谱斑点图反算3、 挑流消能雾化水流的形成主要和哪些因素有关？答：水利枢纽上下游水位差、泄流量、枢纽总体布置及下游地形4、 雾化水流的危害主要有哪些？答：对发电和电器设备的影响、对航运的影响、对两岸边坡稳定性的影响、对交通和居民生活的影响5、 泄洪雾化降雨影响的等级划分及各等级对应的平均雨强？答：等 级12小时雨量（mm）平均雨强（mm/h）对枢纽建筑物正常运行、边坡稳定、交通及周围环境等影响程度 120 7200 600.0 危害性很大6、 V级雾化降雨区的特点及应对方法？答：雾化降雨强度高，危害性很大、破坏力很强，雨区内空气稀薄，能见度很低；通常该级雾化降雨的影响范围不大，影响区内的两岸边坡需要护坡保护；电站厂房、开关站等枢纽建筑物及附属设施均不能布置在V级雾化降雨影响范围之内，泄洪时雨区内禁止人员和车辆等通行。1、为减少流激振动的发生，应从哪些方面进行考虑？答：减小脉动壁压及增强结构的抗振能力2、 哪些水工泄水结构容易发生流激振动？答：导墙、坝体、溢流厂房和泄水陡槽、闸门1、冲击波对水利水电工程的不利影响？答：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。2、 明渠急流扩散段的主要扩散形式？答：1、平底明渠扩散段；2、陡坡明渠扩散段；3、反弧(凹曲面)段。3、 简述复合曲线法是如何对弯道上急流冲击波进行控制。答：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4、 简述槽底横向超高法是如何对弯道上急流冲击波进行控制。答：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。