高速水流概述

可能导致处于其中或构成其边界的结构物的振动甚至破坏。 因此，应研究高速水流的紊动特征，尤其是要弄清高速水流 作用于其过流边界上的脉动荷载。
2、高速水流的掺气 高速水流内高强度紊动的存在是导致其内维持一定含气 浓度的必要与充分条件。高速水流掺气后，水体的连续性被 破坏，其原有的水力特性也相应改变。因此，应弄清高速水
的目的正在于防范其可能导致的危害。
四、高速水流存在的特殊水力学问题
1、高速水流的紊动与流激振动
研究高速水流紊动的基础仍然是紊流理论。高速水流中
存在着多种尺度的运动，在三维紊流中其含能涡与耗散涡的 尺度之比近似与雷诺数的9／4次方成正比。由于高速水流的
雷诺数很大，其内各种紊动尺度共存，水流紊动强烈，并有
第1章 概述
学习提示
1、平时成绩
平时成绩主要是出勤（点名）和讲课，占总评成绩的30%左右。
2、学习参考资料
《高速水流》 刘士和 科学出版社 《高速水力学》 李建中 西北工业大学出版社 《现代水力学工程湍流数值模拟及其应用》 倪浩清 中国水利水电出版社
《明槽急变流：理论和在水工中的应用》 余常昭 清华大学出版社
三、高速水流的流动特性
1、高速水流通常为复杂边界条件下的多相体系紊流。如掺
气水流为水一气两相流；雾化水流的雾流扩散段为气一水两 相流等。 2、高速水流与过流边界之间的相互作用更加突出。如流激 振动中存在水流与固体边界的流固耦合；渠道中边墙的偏转 可导致急流冲击波的形成；雾化水流中 的雾流降雨在很大程度上依赖于下游地形等。此外，由高速 水流形成的空蚀破坏甚至还将导致水流边界的改变。 3、高速水流中惯性力的作用更加突出。由于高速水流具有 如上特点，如在设计或施工中不加以注意，其有可能导致结 构物或水力机械工作条件的恶化，甚至破坏。研究高速水流
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。
二、高速水流的定义
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。 习惯上常将流速达到15～20m／s以上的水流称为 高速水流。
流的掺气条件及水流掺气后水力要素的计算，以此来判别水
流掺气后对结构可能造成的影响。 3、高速水流的消能 高水头泄水建筑物上的高速水流具有巨大的动能，如何 将其进行有效的转化，使上、下游水流以适当的形式相衔接
是水利水电工程中的重要问题之一。因此，应研究适合具体
工程特点的消能形式。
4、空化空蚀 高速水流通过泄水建筑物某些部位时，固壁常出现剥蚀
研究、数值计算、原型观测。影响高速水流的因素很多，单
纯的理论分析只能把握其主要影响因素。试验研究与原型观 测目前乃至今后相当一段时间仍然是高速水流研究的主要方
法，但模型试验费时费工，且从技术上来看也有可能存在缩
尺效应，而原型观测亦受场地及泄流条件等的限制较大。数 值计算在高速水流中的应用已有不少成果，但仍有待于进一 步深入、系统与完善。
《 负压与高速水流情况下的过水建筑物设计问题》 《泄水工程与高速水流》 吉林科学技术出版社 中国工业出版社
3、授课计划
32学时（具体见授课计划表）。
一、层流与紊流的本质区别
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
甚至破坏现象。因此，应研究高速水流空化与空蚀破坏的机
理以及采用何种措施来防止或减轻空蚀的破坏作用。 5、高速水流的雾化 高速水流的雾化对水利水电工程的安全运行具有潜在威 胁，并有可能导致山体滑坡、中断交通及闪络跳闸等事故的
出现。因此，应研究雾化水流的特性，采用适当的措施防范
其危害。
6、急流冲击波与滚波 急流冲击波是渠槽中因侧墙几何条件的变化而在水面形
成的一种波。在一定条件Hale Waihona Puke Baidu，即使侧墙几何形状与尺寸不变，
在槽宽水浅的陡槽中也可产生波，称为滚波。急流冲击波与 滚波的出现改变了水流原有的运动特征，增加了下游消能的 困难。因此，应研究急流冲击波与滚波的形成条件以及急流 冲击波与滚波的计算方法。
五、高速水流的研究方法
高速水流的研究可采用以下四种方法：理论分析、试验