川大水力学17高速水流知识讲稿.pptx

第十七章 高速水流17-1 高速水流的脉动压强 17-2 水工建筑物的气蚀问题 17-3 高速掺气水流 17-4 非棱柱体明渠中的急流冲击波 17-5 陡槽中滚波 返回目录1?#? 第十七章 高速水流 高速水流会产生许多特殊的水力学问题。主要有 下列四个方面： 1 发生强烈的压强脉动—过去水力学中所讲的动 水压强指的是时间平均压强。 2 发生气蚀现象—高速水流通过泄水建筑物的某 些部位时，固体表面常被剥蚀和破坏这种现象叫气蚀。 3 发生掺气现象—当流速达到一定程度，有自由 表面的水流中将掺入大量空气，使液体连续性遭到破坏， 过去的水力学公式不再适用。 4 发生波浪—由于流速快，水流的惯性特别大，固体边界的变化对水流影响非常敏感。 2?#? 二滩电站泄洪雾化 小浪底排沙洞气蚀 3?#? 17－1 高速水流的脉动压强 一 压强对建筑物的影响 动水压强脉动对水工建筑物的影响主要有下列三个方面： 1 增加建筑物的瞬时载荷 —— 水工建筑物受到的 瞬时载荷高于时均载荷，因此提高了对水工建筑物强度的 要求。 2 可能引起建筑物的振动——由于脉动压强具有周 期性变化，压强时大时小往复作用在建筑物上，可能促使 轻型结构产生强烈的振动。4?#? 增加气蚀发生的可能性——气蚀是水流中局部压强 低于某一定数值时，水流中放出气泡，气泡随水带走， 到高压区气泡突然溃灭，产生巨大的冲击力，引起建 筑物得剥蚀现象。二 压强脉动波形图的分析 分析方法有两种：概率分析法和随机数据处理法 概率分析法 （1） 名次解析根据下图来解释几个名次 5?#? 8）以频率f为横坐标，以各区间频率所出现次数的百分 数为纵坐标，绘出频率概率分布图 9）其中出现次数最多的频率叫做主频率。 （3）脉动压强振幅的分析——每个波都可以找出两个振幅，我们取较大的一个作为该波的振幅。每一个频率区间各个波有各个波的振幅，取其数学平均值作为该区间的振幅，这样可以绘出振幅与频率的关系曲线，如图 8?#? 相应于主频率的振幅叫做主振幅，波形图中所有各波的 振幅中最大的一个叫最大振幅。 随机数据处理法 (1)随机数据处理的基本概念： 如图所示为一个各态历经平稳随机过程x(t)的一个样本记 录记录时间为T. 9?#? 1) 均值 在实际计算中只能用数值积分。若采用时间间隔Δt， 则得式中 称为样本容量。 2)方差 用数值积分形式表示，则 10?#? 3)相关系数 用数值积分形式表示 4)功率谱密度 式中：f为频率。实际上积分上限只能去有限值故 11?#? 用梯形法近似积分上式 式中： 根据上式计算得到的谱密度称为粗略谱。实际计算中， 为了减少采样误差，需要对离散化的数据进行数字滤波对 粗略谱进行平滑处理，一般采用三点滑动平均的平滑谱， 计算公式为 12?#? 式中 k=1,2,3,4…M－1 5)概率密度函数 从图中的样本记录采用得到N个x(ti)值（i＝1，2，3…. N）。将它们的数值范围分成若干区间，然后将N个x(ti)值进 行统计，求出各区间出现次数与样本总数之比，此比值称为 相对频数，相对频数除以区间间距即得概率密度。13?#? (2)脉动压强数据处理的步骤及参数的选择 1)采样采样间隔2)求均值 3)求脉动值 4)计算方差 5)计算相关函数 6)计算功率谱密度 7)概率分布计算 平均脉动压强振幅 计算动水荷载的最大振幅 研究气穴水流的最大振幅 14?#? 17－2 水工建筑物的气蚀问题 一 气蚀现象 高水头泄水建筑的某些部位如泄洪隧洞进口短的收缩 部分，闸门槽后的边墙，隧洞的转弯段，溢流坝顶部或坝 面不平整处及消力齿槛等，当通过高速水流以后常发现固 体表面被严重剥蚀和破坏，这种现象称为气蚀。 二 气蚀发生的原因 气核的存在是形成气穴的根据，负压的存在是形成气 穴的条件。 15?#? 高速水流的高度紊动，可将低压区放出来的气泡随流 带走，当带到下游高压区时，由于内外压差迫使气泡溃灭， 气泡溃灭过程，时间极短，只有几百分之一秒，四周的水 流质点以极快的速度去填充气泡空间，以致这些水流质点 的动量在几乎无穷小的时间内变为零，因此产生了巨大的 冲击力其大小有几个甚至几十个大气压，这种巨大的冲击 力不停的冲击着固体边界，使固体表面造成严重的剥蚀， 这是产生这种现象的根本原因。 右图有“”处就是容易 发生气蚀的部分。 16?#? 三 判别气穴的指标——气穴数 研究气穴问题时，常采用一个无量纲数作为衡量实际 水流是否会发生气穴的指数叫做气穴数，以K表之 式中：p及v为水流未受到边界局部变化影响处的绝对压强 及平均流速；pv为蒸汽压强；ρ为水的密度；γ为水的容重。 由上式可知：绝对压强愈低，气穴数愈小，发生气穴 的可能性就裕达。