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。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。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：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与尺寸有关。如果使用与期望波长差不多大的传感器，就不能分辨小波长(大波数)上的信息。（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。第三章一、填空题1、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，当水流中掺气浓度达到3％～7％时，即可起到避免空蚀破坏的作用，而当掺气浓度达到10％后则可完全避免空蚀破坏。(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。4、对平底、无辅助消能设施的二维自由水跃，其水跃可划分为①弱水跃②颤动水跃③稳定水跃④强水跃四种基本形式。5、水跃与下游水面的衔接形式有临界水跃衔接、远驱水跃衔接、淹没水跃衔接三种。6、底流消能中的辅助消能工主要有趾墩、前墩、后墩、尾槛。7、控制水跃的目的有解决尾水偏深，或尾水不足以及缩短水跃长度的问题三种。8、面流消能可分跌坎面流和戽斗面流两类。二、名词解释溢流边界层：指的是在重力作用下具有自由表面的水流流经固体边壁所形成的边界层。水舌空中消能率：为其空中能量损失与其在挑坎处的总能量之比。差动式挑流鼻坎：差动式挑流鼻坎由两种挑角的一系列高坎与低坎相间布置所构成，也称齿槽式鼻坎。窄缝挑坎：窄缝桃坎由泄水建筑物末端边墙急剧收缩而形成，是—种极具特色的新型消能工，尤其适用于深窄狭谷高水头运行的情况。潜流：当ht再增加到某一值时，坎顶前滚蜕化为坎顶下游的大漩滚，主流被迫重新贴底潜行(需经较长距离才上升到水面)，坎下底滚尺度也变小，这就是潜流，或称淹没底流，亦称回复底流。跌坎长度：指从反弧底到跌坎末端的水平距离。受控水跃：设置坎、墩与槛等辅助消能工后的水跃称为受控水跃。空中碰撞消能：两胶水流在空中对冲撞击，从而消托掉大部分动能的方式称空中碰撞消能。宽尾墩：是指墩尾加宽成尾冀状的闸墩。临界水跃衔接：共轭水深与下游水深相等，水跃恰好在收缩断面发生。远驱水跃衔接：共轭水深大于下游水深，此时水流从收缩断面要经过一段距离才能形成水跃淹没水跃衔接：共轭水深小于下游水深，此时下游尾水淹没了收缩断面。趾墩：设置于消力池斜坡段末端或趾部，是纵剖面为三角形的齿墩。尾槛：尾槛设置于消力池末端，具有辅助消能作用，还可控制出池水流的底部流速。三、问答题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：方法之一是采用紊流模型(在溢流坝面有掺气，而掺气所造成的影响又非常重要时甚至还需采用两相紊流模型)和相应的数值计算方法进行计算。方法之二是采用双层模型进行计算，在内层，也即靠近溢流坝面附近，由于水流运动受分子黏性影响较大，用溢流边界层理论描述，而在离溢流坝面距离较远的外层则可忽略分子黏性影响而用势流理论进行计算，两层之间通过速度的匹配建立联系；方法之三是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；方法之四是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：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5、溢流边界层与一般绕流边界层有哪些不同？答：主要有：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用6、挑流鼻坎按照设置高程可以分为哪几种？答：按设置高程分，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。7、底流消能水跃可划分为哪几种基本形式？答：①弱水跃②颤动水跃③稳定水跃④强水跃9、底流消能辅助消能工有哪些形式？每种形式有什么作用？答：a、趾墩。设置于消力池斜坡段末端或趾部，是纵剖面为三角形的齿墩，其主要作用是使进入消力池的急流在垂向上扩散，并在横向上分散为多股，从而使弗劳德数有所下降，跃后水深有所减小。b、前墩。前墩设置于水跃前部，其辅助消能作用大，在促使强迫水跃