泄水建筑物高速水流设计

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-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。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：c

-=11h h a 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：①解体过程，即岩基的完整性被破坏；②拔出过程，即岩块脱离岩床；③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：①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；②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。