泄水建筑物高速水流设计

《泄水建筑物高速水流设计》复习题

第一章

一、填空题

1、高速水流的研究可采用以下四种方法：理论分析、试验研究、数值计算、原型观测。 二、名次解释

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

三、问答题

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。

第二章

一、填空题

1、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 2、非均匀紊流又可细分为： 自由切变紊流及边壁切变紊流 3、边壁切变紊流包括：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 4、脉动壁压强度、主频率及其频谱持性是结构设计中甚为关注的物理量。

5、根据紊流运动的特性，可将水利工程中切变紊流的脉动壁压分为平顺水流情况下的脉动壁压与强紊流情况下的脉动壁压两种。 二、名词解释 均匀紊流：均匀紊流要求所有紊动特征量不随空间位臵而变，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 。

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 边壁切变紊流 ：固体边壁对紊动特性有直接影响的紊流。 脉动壁压：脉动壁压足作用在结构壁(表)面上紊流脉动压强的简称。 三、问答题

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-ε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：①均值；③均方值(包括均方根值)；③概率密度函数；④相关函数；⑤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。

第三章

一、填空题

1、由于掺气原因不同，—般将掺气水流分为强迫掺气水流与自然掺气水流两大类。 2、从纵向上看可将明渠掺气水流分无气区、掺气发展区及掺气充分发展区三个区域。 3、视掺气散裂程度的不同可将高速挑射水流分为 部分掺气散裂射流、 充分掺气散裂射流及完全掺气散裂射流三种。

4、自由跌落水流能否掺气，关键在于 射流流态及其入水流速。 5、附壁跌落水流的流态有表面流、波状流、附着底及穿透流四种。 二、名词解释

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掺气水流 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 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。 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。 三、问答题

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。 3、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 5、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：

ha1? h与ha分别表示未掺气与掺气水流的水深 h1?c

第四章

一、填空题

1、挑流消能中鼻坎的适宜挑角一般可取为15°～35°

2、根据挑流水舌的运动过程，可将其分为坝面溢流段、空中扩散段及水下淹没扩散段三段。 3、岩基破坏过程分解为解体过程,拔出过程,搬运过程三个部分。

4、对平底、无辅助消能设施的二维自由水跃，其水跃可划分为弱水跃,颤动水跃,稳定水跃,强水跃四种基本形式。 5、水跃与下游水面的衔接形式有临界水跃衔接，远驱水跃衔接、淹没水跃衔接三种。 6、底流消能中的辅助消能工主要有趾墩，前墩，后墩，尾槛 7、控制水跃的目的有解决尾水偏深，或尾水不足以及缩短水跃长度的问题三种。 8、面流消能可分为跌坎面流和戽斗面流两类。 二、名词解释

溢流边界层： 所谓溢流边界层，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 水舌空中消能率： 挑流水舌的空中消能率η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臵所构成，也称齿槽式鼻坎挑 窄缝挑坎潜流 : 窄缝桃坎由泄水建筑物末端边墙急剧收缩而形成，是—种极具特色的新型消能工，尤其适用于深窄狭谷高水头运行的情况跌坎长度 :指从反弧底到跌坎末端的水平距离 受控水跃 :设臵坎、墩与槛等辅助消能工后的水跃称为受控水跃，也称强迫水跃 空中碰撞消能:两胶水流在空中对冲撞击，从而消托掉大部分动能的方式称空中碰撞消能。 宽尾墩:指墩尾加宽成尾冀状的闸墩临界水跃衔接: 共轭水深与下游水深相等，水跃恰好在收缩断面发生.远驱水跃衔接 : 共轭水深大于下游水深，此时水流从收缩断面要经过一段距离才能形成水跃。淹没水跃衔接:共轭水深小于下游水深，此时下游尾水淹没了收缩断面. 趾墩:设臵于消力池斜坡段末端或趾部，是纵剖面为三角形的齿墩，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。尾槛:尾槛设臵于消力池末端，具有辅助消能作用，还可控制出池水流的底部流速 三、问答题

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