第八章急流冲击波和滚波课件.pptx
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1、第八章第八章 急流急流冲击波冲击波与与滚波滚波8.1概述概述在急流中,由于边界条件的变化使在急流中,由于边界条件的变化使水流产生扰动水流产生扰动,下游,下游形成形成一系列呈菱形的扰动波,这种波称为一系列呈菱形的扰动波,这种波称为急流急流冲击波冲击波。在底坡在底坡坡度大于临界坡度大于临界底坡坡度数倍的平直陡槽中,若槽身较底坡坡度数倍的平直陡槽中,若槽身较宽,水深较浅宽,水深较浅,每,每隔隔一段距离一段距离后,出现一个又一个后,出现一个又一个波,其波前横贯波,其波前横贯渠渠槽,槽,波速大于水流波速大于水流流速,时常还会出现较大的波流速,时常还会出现较大的波追上较小追上较小的波及的波及较小较小的波的
2、波合并成较大的合并成较大的波,这种波,这种波动称为波动称为滚滚波,波,发生滚波的水流称发生滚波的水流称为为超急流超急流。冲击波对水利水电工程冲击波对水利水电工程有两方面有两方面不利影响不利影响:1、冲击波、冲击波使水流使水流局部壅,故边墙必须加高局部壅,故边墙必须加高,从而加大了工程,从而加大了工程造价造价;2、冲击、冲击波传播到下游出口处,使水流部分集中增加了消能波传播到下游出口处,使水流部分集中增加了消能的困难的困难。8.2急流冲击波的形成及数学描述急流冲击波的形成及数学描述8.2.1 急流急流冲击波的形成冲击波的形成急流具有很大的惯性,当急流具有很大的惯性,当遇到边墙偏转遇到边墙偏转的阻
3、碍,便使边墙受的阻碍,便使边墙受到冲击作用,到冲击作用,边墙也边墙也对水流施加反力,迫使水流沿边墙转向,产生对水流施加反力,迫使水流沿边墙转向,产生动量变化,造成水面的局部扰动动量变化,造成水面的局部扰动。这种。这种扰动以波的形式在明槽内传扰动以波的形式在明槽内传播播。由于急流受到边界扰动而形成的划分扰动区域的斜线称为由于急流受到边界扰动而形成的划分扰动区域的斜线称为扰扰动线动线。扰动扰动线和原水流运动方向的夹角线和原水流运动方向的夹角1称为称为扰动角扰动角。边界的变化是急流中产生冲击波的边界的变化是急流中产生冲击波的外因外因,而急流的巨大,而急流的巨大惯性惯性则则是产生冲击波是产生冲击波的的
4、内因内因。8.2.2 小波高急流小波高急流冲击波冲击波的计算的计算冲击波形成后,水流的水深、流速的变化及波角的大小显然冲击波形成后,水流的水深、流速的变化及波角的大小显然与水流原来的与水流原来的性质及性质及引起扰动的外在条件引起扰动的外在条件有关。有关。水流的水深、流速的水流的水深、流速的变化可用变化可用扰动前水流的扰动前水流的弗劳德数表示,弗劳德数表示,波波角的大小角的大小主要主要是边墙的偏转是边墙的偏转角。角。对于小波高急流冲击波,由于波高很小,近似考虑对于小波高急流冲击波,由于波高很小,近似考虑h1=h2,此此时的水力要素可通过下式得出时的水力要素可通过下式得出式中,式中,为边墙最终偏转
5、为边墙最终偏转角,角,Fr为总偏转角对应为总偏转角对应的值,的值,1为积分常数,为积分常数,当当=0时,时,Fr为边墙发生为边墙发生偏转时的偏转时的Fr。122313arctanarctan11FrFr8.2.3 大大波高急流波高急流冲击波冲击波的计算的计算如果冲击波波峰如果冲击波波峰陡峻陡峻,扰动线两侧水深相差较大,扰动线两侧水深相差较大,波角就不波角就不能能用上式进行用上式进行简化简化计算计算,同时在波峰同时在波峰上也上也有能量损失。此时,通过有能量损失。此时,通过下列两式确定大波高急流冲击波水力要素。下列两式确定大波高急流冲击波水力要素。12121211tantan1tanh hh h2
6、2112221111 8sin3tan2tan11 8sinFrFr 2111tantanhh8.2.4 冲击波的反射与干扰冲击波的反射与干扰水流水流沿一侧偏转的边墙的流动,而末考虑沿一侧偏转的边墙的流动,而末考虑对岸边墙传来对岸边墙传来的扰的扰动的影响。实际上,在泄水建筑物中由两岸动的影响。实际上,在泄水建筑物中由两岸边墙产生边墙产生的的冲击波相互冲击波相互干扰,使波加强或减弱,从而在下游形成复杂的扰动波形图干扰,使波加强或减弱,从而在下游形成复杂的扰动波形图。根据冲击波之间反射与干扰的原理,可以设法消除扰动波根据冲击波之间反射与干扰的原理,可以设法消除扰动波。A点产生一个负波点产生一个负波
7、(水面跌落水面跌落),以波,以波角横穿角横穿渠槽传渠槽传到到B点,点,B点点反射的反射的负波扰动线将与负波扰动线将与B点因边墙向内偏转所产生的正波点因边墙向内偏转所产生的正波(水面蛮高水面蛮高)扰动扰动线相重合,正、负波相互抵消,所以不再有扰动线相重合,正、负波相互抵消,所以不再有扰动产生。产生。8.3急流收缩段冲击波计算急流收缩段冲击波计算8.3.1 急流收缩段的合理曲线急流收缩段的合理曲线对于长度对于长度相同的同一收缩段相同的同一收缩段,缓流时收缩,缓流时收缩段采用渐变曲线连段采用渐变曲线连接时水流流态最好。在通过急流的直槽中接时水流流态最好。在通过急流的直槽中,一般采用两侧对称的,一般采
8、用两侧对称的逐逐渐收缩的边墙渐收缩的边墙,可以是直线,可以是直线收缩段和两个反圆弧渐变收缩收缩段和两个反圆弧渐变收缩段。段。急流急流中边墙中边墙收缩产生冲击波的收缩产生冲击波的最大波高是由总偏转角决定,最大波高是由总偏转角决定,和边墙的偏转过程和边墙的偏转过程无关。无关。对于对于长度相同的收缩段,直线收缩段的总长度相同的收缩段,直线收缩段的总偏角偏角 比单曲线渐比单曲线渐变变收缩段的总收缩段的总偏角偏角 及及反曲线渐变收缩段的总反曲线渐变收缩段的总偏角偏角 都都要小,要小,因此因此,直线收缩段的冲击波最低。,直线收缩段的冲击波最低。8.3.2 直线直线收缩段冲击波收缩段冲击波的计算的计算311
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