水利水電工程師考點(diǎn)（5）

水流形態(tài)及消能方式

1F411023 了解水流形態(tài)及消能方式

一、水流形態(tài)

從描述水流的不同角度出發(fā)，水流形態(tài)主要包括：恒定流與非恒定流、均勻流與非均勻流、漸變流與急變流、層流與紊流。

水流形態(tài)

恒定流 流場中任何空間上所有的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間改變

非恒定流 有任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間改變

均勻流 水流的流線為相互平行的直線

非均勻流 不是相互平行的直線

漸變流 水流的流線幾乎近于平行

急變流 流線間夾角很大或流線曲率半徑很小

層流 水流流速較小各流層液體有條不紊地運(yùn)動(dòng)互不混摻

紊流 水流的流速較大，形成渦體，相互混摻

二、能量轉(zhuǎn)換

根據(jù)能量守恒原理，恒定水流的能量方程為：

能量轉(zhuǎn)換

伯努力能量方程

(1F411023)

位能、壓能、動(dòng)能—可以相互轉(zhuǎn)換—兩個(gè)斷面間能量守衡

三、消能方式

修建閘、壩等泄水建筑物后，下泄的水流往往具有很高的流速。動(dòng)能比較大，為了減小對(duì)下游河道的沖刷，采取的消能方式有：底流消能、挑流消能、面流消能、消力戽消能。

(一)底流消能

如圖1F411023-1所示，是利用水躍消能，將泄水建筑物泄出的急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚�，以消除多余�?dòng)能的消能方式。它主要是靠水躍產(chǎn)生的表面旋滾與底部高流速的主流間的強(qiáng)烈紊動(dòng)、剪切和摻混作用。該法具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果較好，對(duì)地質(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強(qiáng)以及水流霧化很小等優(yōu)點(diǎn)，多用于低水頭、大流量、地質(zhì)條件較差的泄水建筑物。但護(hù)坦較長，土石方開挖量和混凝土方量較大，工程造價(jià)較高。該法對(duì)地質(zhì)條件的要求較低，既適用于堅(jiān)硬巖基，也適用于較軟弱或節(jié)理裂隙較為發(fā)育的巖基。

(二)挑流消能

如圖lF411023-2所示，是利用溢流壩下游設(shè)置挑流坎，把高速水流挑射到下游空中，然后擴(kuò)散的摻氣水流跌落到壩下游河道內(nèi)，在尾水水深中發(fā)生漩渦、沖擊、摻攪、紊動(dòng)、擴(kuò)散、剪切，以消除能量。但跌落的水流仍將沖刷河床，形成沖刷坑，在沖刷坑中水流繼續(xù)消能。適用于堅(jiān)硬巖基上的高、中壩。

(三)面流消能

如圖1F411023-3所示，當(dāng)下游水深較大且比較穩(wěn)定時(shí)，利用鼻坎將下泄的高速水流的主流挑至下游水面，在主流與河床之間形成巨大的底部旋滾，旋滾流速較低，避免高速水流對(duì)河床的沖刷。余能主要通過水舌擴(kuò)散、流速分布調(diào)整及底部旋滾與主流的相互作用而消除。高流速的主流位于表層。適用于中、低水頭工程尾水較深，流量變化范圍較小，水位變幅較小，或有排冰、漂木要求的情況。一般不需要作護(hù)坦。

(四)消力戽消能

如圖1F411023-4所示，是利用泄水建筑物的出流部分造成具有一定反弧半徑和較大挑角所形成的戽斗，在下游尾水淹沒挑坎的條件下，形不成自由水舌，高速水流在戽斗內(nèi)產(chǎn)生激烈的表面旋滾，后經(jīng)鼻坎將高速的主流挑至水面。并通過戽后的涌浪及底部旋滾而獲得較大的消能效果。適用于尾水較深，流量變化范圍較小，水位變幅較小，或有排冰、漂木要求的情況。一般不需要作護(hù)坦。