泄水建筑物高速水流设计复习题及答案

《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、名词解释

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

、层流与紊流的本质区别是什么

答、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，其物理如流速、压及温度存在脉动，即对时间和空间而言的不规则变化、紊流的输运能用紊动黏系数来表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动造成很大的能量耗损

、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

答高速水流通常为复杂边界条件下的多相体系紊流、高速水流与过流边界之间的互作用更加突出、高速水流中惯性力的作用更加突

、高速水流存在哪些特殊的水力学问题，请简要说明

答、高速水流的紊动与流激振动、高速水流的掺气、高速水流的消能、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即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置而变，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，如射流、尾流及混合层等。

边壁切变紊流：边壁切变紊流指的是固体边壁对紊动特性有直接影响的紊流，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。

脉动壁压：脉动壁压是作用在结构壁(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，如随机性、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，具体反映在如下几个方面：（1）能量耗损（2）动水荷载（3）两相紊流

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。

、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

答通过压力传感器测得的压强信号既与紊流涡体的大小有关也与压力传感器的形状尺寸有关。如果使用与期望波长差不多大的传感器，就不能分辨小波大波上的信息）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。对给定的力传感器，波数越高，其谱密度的衰减越大）压力传感器直径越大，所实测山的脉动压强度越低压力传感器直径越大作用于其上的紊流中的各“基本结构数也越多

第三

一、填空

、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。已有研究成果表明，当水流中掺％后则可完10％时，即可起到避免空蚀破坏的作用，而当掺气浓度达到7％～3气浓度达到．

全避免空蚀破坏。(2)桃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(2)电测法

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：挑坎体型简单，但其具体尺寸的确定与来流的水流特性（流量、流速、水深）和泄水建筑物底板坡度等因素有关；这种掺气设施易于形成稳定的空腔，但如果坎高过大，则对原水面的扰动过大，将水面抬得过高而减小洞顶余幅，且水舌回落至洞身底板时冲击压力较大。

跌坎对原水流的扰动较小，但水舌回落在较小的底坡上时，反旋较强，空腔范围小且不稳定。掺气槽对进气有利，且掺气比较充分，可以增大空腔体积，形成稳定、完整的掺气空腔，这种掺气设施体型比较成熟，运行情况良好；但在小底坡时，掺气槽内容易出现积水，难以排除。

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）。

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，可将其分为自由射流区，冲击区及附壁射流区三段。

3、岩基破坏过程分解为①解体过程②拔出过程③搬运过程三个部分。