17高速水流

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则得
x
1 N
N
xti
i 1
式中N T 称为样本容量。
t
2) 方差
Dx

1 T
T 0

x

t


x
2
dt
用数值积分形式表示,则
Dx

1 N
N i 1
xti x 2
‹#1›0
3) 相关系数
R
x

T
1

T
0
x
t

x
x
若近似地假设 va
v



h ha
hh
或写作
ha


1 Ca
二 水流掺气对水工建筑物的影响
水流掺气后对水工建筑物有以下几点影响:
(1)水流掺气的结果能加强效能作用,减轻水流对下游 的冲击力,因而可以减小下游冲刷坑的深度。
(2)水流掺气后可减轻或消除气蚀。
(3)掺气使水深增加,因而要求增加明槽边墙的设计高 度,提高了工程造价。
‹#1›2
S
f0'

1 2
S
f0


S
f1

S
fk'

1 4
S
f k 1

2S
fk

S
f k1
S
fM '

1 2
来自百度文库
S
f M 1

S
fM

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。
‹#2›2
17-3 高速掺气水流
一 水流掺气现象
当水流通过泄水建筑物,流速达到一定程度时,空气 就会大量掺入水流中,形成乳白色的水气混合体,这种水 流称为掺气水流。
掺气水流可分为三个区域:上部为水点跃移区,中部 为气泡悬移区,底部为清水区。
‹#2›3
若用Qa表示水气混合体的流量,Q表示掺气水流的纯水
p'2 3 ku'2
2
‹#1›9
2
由此推导出瞬时气穴数
K ' K 6
u'2 v

据试验结果,高度紊流靠近底部的紊动强度的数值接 近于0.15,代入上式得
K ' K 6 0.152 K 0.14
由此可知:瞬时气穴数可能比时均气穴数低0.14
五 防止气蚀的措施
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
表面破碎理论与实际 是不甚符合的。
‹#2›6
2.紊流边界层的理论——这一理论认为紊流边界层 的厚度发展到与水深相等的地方就开始掺气。如图:
‹#2›7
水流由水库进入溢流坝面,从A点开始,水流受粗糙 坝面的影响,沿坝面向下游发生紊流边界层,当紊流边界 层厚度发展到水面B点时,由于水流的高度紊动,水流表 面的液体质点有横向运动,若其动能大于克服表面张力的 约束所做的功,则液体质点必跃出液面,在回落时带入空 气。空气进入水中形成气泡,气泡随水流紊动挟走而下, 形成掺气水流,所以在B点根本不可能形成掺气,掺气发 生点一定在B点以下,而且距B点不远之处,因为在B点若 液体质点的横向运动的动能不够克服表面张力所做的功, 则愈向下游,流速愈大,水流愈紊动,液体质点横向运 动愈剧烈,很快即可达到掺气,所以一般以B点作为掺气
t



xdt
用数值积分形式表示
Rx
Rq
1 Nq N q i1
xti x
xti
x
4) 功率谱密度
S

f



40
R
cos 2
f d
式中:f为频率。实际上积分上限只能去有限值故
‹#1›1
S

f


T
40
R
波:一个波峰与后一个相邻得一个波谷在一起就叫做一个波。
频率:周期的倒数,每秒钟脉动的次数。
‹#›6
振幅:波峰或波谷时均压强线的高度叫做振幅。 (2)脉动压强的分析——分析步骤如下
1)波形整理 2)求出时均压强线 3)读出每个波的周期T,求出每个波的频率。 4)找出最大及最小频率 5)从最大与最小频率之间,将各个波的频率按照大小 次序排列。 6)划分频率区间。 7)统计各区间频率出现次数N求出各区间所出 现次数的百分数。
‹#1›4
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。
‹#1›5
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。
离为L处的水深;
‹#2›9
希拉克斯在混凝土溢流坝的原型观测中得出下列经验公式
L 14.7q 0.53
若将紊流粗糙板边界层公式应用于溢流坝,当δ=h, x=L时,开始掺气,由上式可知
h f L L
陈椿庭根据原型观测资料求得的经验公式即属于这一类型
‹#3›0
五 陡槽掺气水深的计算
cos
2
f d
用梯形法近似积分上式
S f

2t R0

M 1
2
q 1
0
Rq

c
os
2f
qt

RM cos2f Mt
式中:Rq Rqt R
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
h 矩形明槽掺气水流的水深可用下式计算
ha

h Fr2
0.937
b 0.088
h
‹#3›2
17-4 非棱柱体明渠中的急流冲击波
一 冲击波的基本分析
‹#3›3
对单位长度波前写出连续方程和动量方程
右图有“ ”处就是容易
发生气蚀的部分。
‹#1›6
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
K p pv p pv
1 v 2
v2 2g
2
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。
流量,则掺气水流的掺气量
Ca

Qa Q Qa
含水量 Q
Qa
它们之间的关系 Ca 1
若明槽为矩形,并令掺气水流的水深为ha,清水水 流的水深为h,掺气水流断面平均流速为va,清水水流断 面平均流速v,则
Q vhb vh
Qa va hab a va ha
‹#2›4
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。当K降低至某一数值Ki时开始发生气穴, 这个气穴数叫做初生气穴数。
‹#1›7
初生气穴数随边界条件而异。初生气穴数的一 些实验值如图:
‹#1›8
初生气穴数Ki越大,气穴越容易发生,越小难发生。
当K> Ki 时,气穴不发生;当K≤ Ki 时,有气穴发生。
的起始点。这就是水流掺气的紊流边界层理论。
这一理论与实际比较符合。
‹#2›8
四 掺气发生点的确定
紊流光滑板边界层公式


0.38
1/ 5
x 4 / 5
v
m
此式可写成普遍形式


k
m1
1
x m1
v
上式经过推导整理得公式
L h

129 .6
1
q 12
式中:q为溢流坝的单宽流量;h为沿溢流坝面距
矩形明槽掺气水流的掺气量用下列经验公式
h 0.082
L
1
L4


Ca

0.38 lg
i q2/3
0.509 (光滑槽)
Ca

0.701 lg
i q1/ 5
0.826 (粗糙槽)
式中:i 为陡槽底坡,q为单宽流量。
‹#3›1
掺气水流的含水量 0.937 Fr2 b 0.088
‹#›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) 在均实值际x计算T1中0T只x(能t)d用t 数值积分。若采用时间间隔Δt,
(4)在无压泄洪隧洞中,如果对水流掺气估计不足,洞顶 空间余幅留的过少,可能造成有压或明满流交替,水流不间断
地拍击洞壁,威胁隧洞的安全。
‹#2›5
三 水流掺气原因和开始掺气的条件
水流掺气的原因有两种理论: 1.表面波破碎理论——这种理论认为两种不同密度的流 体,运动速度不同,交界面上就要产生波浪。当两种流体的 速度差大于波浪传播速度时,波浪就要继续发展,最后波浪 破碎卷入了空气,形成掺气水流。波浪的发展过程如图:
所以气穴数可以作为是否出现气穴的判别指标。
四 水流紊动对气穴发生的影响
瞬时气穴数
K'

K

1
p'
v 2
2
由上式可以看出:瞬时气穴数可能比时均气穴数小,
时均气穴数K大于初生气穴Ki 时,瞬时气穴数K’ 可能小
于初生气穴数Ki ,所以瞬时气穴可能在K> Ki 时发生。
根据各向同性紊流模型进行计算泰勒发现。
防止气蚀的措施已有不少经验,主要有下列几方面可供参考:
1. 边界轮廓要设计成流线型。 2. 施工后,过水表面上不应存在有钢筋头等各种残留
‹#2›0
突起物对过水边界表面在施工中可能造成的不平 整要加以控制。下图为斜坡及三角突起体两种表面不 平整型式的初生气穴数曲线。
‹#2›1
3. 在难于完全免除气穴的地点,采用抗蚀性能强的材料 做护面。抗蚀性能强的材料最常用的有下列几种: (1) 高标号混凝土 (2) 环氧树脂加填充料,其抗气蚀性能比混凝土要好。 (3) 采用1~2cm厚的工业用橡皮板做护面,如果与混凝土 底层连接牢固,其抗气蚀效果比环氧树脂配料要好得多。 (4) 利用人工掺气防止气蚀。
小浪底排沙洞气蚀
二滩电站泄洪雾化
‹#›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。
‹#1›3
(2) 脉动压强数据处理的步骤及参数的选择
1)采样 2)求均值
采样间隔 t 1
2 f0
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 A
计算动水荷载的最大振幅 Amax 1.96 研究气穴水流的最大振幅 Amax 2.58
‹#›7
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
‹#›4
3 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
第十七章 高速水流
17-1 17-2 17-3 17-4 17-5
高速水流的脉动压强 水工建筑物的气蚀问题 高速掺气水流 非棱柱体明渠中的急流冲击波 陡槽中滚波
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‹#›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。
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