南昌工程学院高速水流复习资料

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，可将其分为坝面溢流段、空中扩散段及水下淹没扩散段三段。 3、岩基破坏过程分解为解体过程,拔出过程,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，其水跃可划分为弱水跃,颤动水跃,稳定水跃,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、面流消能可分为跌坎面流和戽斗面流两类。 二、名词解释

溢流边界层： 所谓溢流边界层，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： 挑流水舌的空中消能率η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，也称齿槽式鼻坎挑。

窄缝挑坎潜流 : 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，也称强迫水跃。

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: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，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。

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：（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。 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

8、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，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，在促使强迫水跃形成及缩短消力池长度方面的作用也比较明显。c、后墩，后墩设置于水跃区后部。由于其位置偏后，因此冲向后墩的流速较低，其辅助消能效果也不是很显著，一般用于改善水跃流态。d、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。此外，槛后还可形成小的底部横向环流，防止在尾槛下游出现较深的贴壁冲刷。

9、跌坎面流和戽斗面流的共同点是什么？

答：来流离开跌坎或戽斗后，高速水股在下游水面；底部有顺时针横轴漩滚；表面可能有1～2个逆时针横轴漩滚(取决于下游水深条件)，也可能没有表面漩滚(下游水深不太大时，出现跌坎自由面流)；曲率显著的主流水股夹在底、表漩滚之间紊动扩散，尾部缓流水面的波浪较大，并延续较长距离；主流水股与漩滚间的紊动剪切面以及漩滚本身是消散动能的主要部位。 10、跌坎面流和戽斗面流消能的主要区别是什么？

答：跌坎位置较高，坎顶水平或只有小挑角，主流水股的曲率较小，横轴漩滚的强度较小，跌坎附近集中消能有限，下游波浪延伸较远；戽斗位置低而挑角大(常用45。)，有较大的斗内空间，出戽斗的高速水股形成明显涌浪，水股和涌浪的曲率都较大，表面横轴漩滚(特别是戽斗内漩滚)强度较大，消能率较高，下游也有波浪问题，但不如跌坎面流突出。

11、台阶式溢洪道和多级跃水流动的区别是什么？

答：跌水的水舌下缘与大气相通并具有自由面，而台阶式溢洪道底部的水流运动则由众多漩涡所构成。 12、自由跌落消能的适用条件是什么？

答：它只适用于坚硬岩基，旦坝虽较高但单宽泄流量较小的情况，而且坝脚附近往往还要设钢筋混凝土护坦防冲，必要时还要保护两侧岸坡。

13、宽尾墩出流具有哪些特点？

答：(1)坝面水流三面接触空气，并有水翅、空腔等流态，水流与空气的接触面积大大增加，而且两个侧面的水流都是紊流，因而水流的掺气量亦随之增加，有利于坝面的防蚀。墩后大面积的无水区更可降低对施工平整度的要求。(2)水冠是由相邻水股碰撞、顶托形成，而水股又在不断摆动，所以对水冠的扰动较大，使其掺气量更加增大。即使在模型中挑流水冠亦呈气、水混合的乳白色状态，可以推测在原型中其掺气量将更大。(3)由于坝面水流掺气和水股互相碰撞等因素将使水流动能损失增加。同时由于挑射水流高、低相间，挑流水舌呈高而薄的雄鸡尾状，落点分散，空中消能率和水垫消能率都大幅度提高。 14、宽尾墩出流消能原理是什么？

答：宽尾墩本身不独立工作，但一系列宽尾墩作为溢流坝闸墩而与底流或挑流或戽流消能工组成联合消能工运行后就会产生极佳的水力特性和消能效果。水流通过相邻宽尾墩分隔而成的闸室时，由于过水宽度沿程收缩，墩壁转折对急流的干扰交汇，形成冲击波和水翅，坝面水深增加2～3倍，有如一道窄而高的“水墙”，其与空气的接触面积增加，掺气量也相应增大。水流跌入反弧段时，由于弧面影响，横向扩散加强，并与邻孔水流相互碰撞顶托而向上壅起，形成很高的水冠挑射出去。 四、计算题

1、对于直墙式宽尾墩，已知墩头和墩尾的宽度分别为0.5m和1.5m，宽尾墩进流宽度为3m，始折点距宽尾墩末端的纵向长度为2m，求宽尾墩的收缩比和尾端折角。

第五章

一、填空题

1、空化可以分为游移空化，固定空化，漩涡空化，振荡空化四种。 2、水体中所含的气核可分为表面气核与流动气核两种。 3、水流空化数越大，形成空化的可能性越小；

4、空化与空蚀的物理模拟考虑的动力相似条件有 模型与原型的弗劳德数相等及水流初生空化数。 5、水流含气浓度越大，空蚀发生的可能性越小。 二、名词解释

空化 ：液体在温度基本不变的条件下由压力下降形成汽相的过程称为空化。

空蚀 ：当空泡的溃灭出现在紧靠边壁或距边壁某一距离范围内，固体边壁将受到持续不断地冲击作用，造成材料的断裂或疲劳破坏而发生剥蚀，这种现象叫空蚀。

气核：水体中所含的小气泡称为气核或空化核。

初生空化数：水流空化数越小，形成空化的可能性越大，当K小到某一临界值，水流中刚刚开始形成空化，此时的K值称为初生空化数。 三、问答题

1、泄洪洞发生空蚀破坏具有哪些特点？

答：(1)水头高。从94～155m之间；(2)流速大。从38～49m／s之间；(3)发生空蚀时的实际泄流量大多没有达到设计流量；(4)水流空化数（气穴数）很低，均小于0.15；(5)破坏范围大，破坏区长度在27～50 m之间，深度2～14m之间。2、空化现象所造成的影响主要有哪些？

答：(1)造成建筑物表面的空蚀破坏。(2)改变液体的动力学特性(3)引起结构物振动(4)产生噪声 3、造成空蚀破坏的机理是什么？ 答：（1）冲击波，认为空蚀是由于空泡溃灭所形成冲击波将其所产生的巨大压强作用到边壁上，对边壁造成强烈破坏而形成的。（2）微射流空泡在压强梯度作用下在边壁附近溃灭时，空泡形状将由原来的球形变为扁平型或元宝型，最后分裂成两个小气泡而消失，在两个小气泡中间形成微射流。

4、形成空蚀水流条件是什么？ 答：（1）水流中需含有气核（2）要有局部低压区（3）气核增长形成的空泡要带到高压区（4）气泡破裂应在边壁附近发生 5、低压区形成的原因有哪些？ 答：（1）边界突变，在固定空腔内形成；

（2）由于大雷诺数情况下产生发卡涡，涡面小，在涡丝中心处压力低，形成局部低压区。 6、泄水建筑物发生空蚀破坏的原因？

答;（1）由于体型不合理，致使某些局部区域水流的压强较低（2）由于混凝土表面局部区域不平整，如存在粗糙体、施工残留钢筋头、错台及泥沙的磨蚀破坏等，其均可使水流发生局部分离，形成局部低压区，造成空蚀破坏。 7、泄水建筑物易受空蚀破坏的部位有哪些？

答：溢流坝面、泄洪洞、闸门和闸室、消能工和分流墩。