2019水利水電工程師考點(diǎn)輔導(dǎo)：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、層流與紊流、急流與緩流。

1.恒定流與非恒定流

(1)恒定流。流場(chǎng)中任何空間上所有的運(yùn)動(dòng)要素(如時(shí)均流速、時(shí)均壓力、密度等)都不隨時(shí)間而改變的水流稱為恒定流。例如某一水庫工程有一泄水隧洞，當(dāng)水庫水位、隧洞閘門保持不變時(shí)，隧洞中的水流的所有運(yùn)動(dòng)要素都不會(huì)隨時(shí)間改變，即為恒定流。

(a)恒定流

在恒定流的情況下，任一空間點(diǎn)上，無論哪個(gè)液體質(zhì)點(diǎn)通過，其運(yùn)動(dòng)要素都是不變的，運(yùn)動(dòng)要素僅僅是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，而與時(shí)間無關(guān)。

(2)非恒定流。流場(chǎng)中任何空間上有任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而改變的水流稱為非恒定流。例如上述水庫工程泄水隧洞泄水時(shí)，如果水庫水位逐漸降低，那么流量、流速會(huì)隨之變小，此時(shí)隧洞中的水流即為非恒定流。

(b)非恒定流

2.均勻流與非均勻流

(1)均勻流。當(dāng)水流的流線為相互平行的直線時(shí)的水流稱為均勻流。例如一引水渠，某順直渠段中沒有進(jìn)出水(流量不變)、渠道橫斷面尺寸沿程不變，則該渠段內(nèi)的水流即為均勻流，水面線為一直線，且與渠底坡線平行。

均勻流的過水?dāng)嗝鏋槠矫?，且過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽缪爻滩蛔?均勻流中，同一流線上不同點(diǎn)的流速應(yīng)相等，從而各過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植枷嗤瑪嗝嫫骄魉傧嗟?均勻流在同一過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)測(cè)壓管水頭為一常數(shù)。

(2)非均勻流。當(dāng)水流的流線不是相互平行的直線時(shí)的水流稱為非均勻流，如圖1F411027-3所示。流線雖然平行但不是直線(如管徑不變的彎管中的水流)，或者流線雖為直線但不相互平行(如管徑沿程緩慢均勻擴(kuò)散或收縮的漸變管中的水流)都屬于非均勻流。

3.層流與紊流

同一液體在同一管道中流動(dòng)，當(dāng)流速不同時(shí)，液體可有層流和紊流兩種不同的流態(tài)。

(1)層流：當(dāng)流速較小，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)有條不紊地運(yùn)動(dòng)，互不混攙，該流動(dòng)形態(tài)為層流，如圖1F411027-4(a)所示。

(2)紊流：當(dāng)流速較大，各流層的液體質(zhì)點(diǎn)形成渦體，在流動(dòng)過程中互相混攙，該流動(dòng)形態(tài)為紊流，如圖1F411027-4(b)所示。實(shí)際工程中紊流是最為常見的流態(tài)，如閘后、跌水、泄水、水輪機(jī)中的水流均為紊流。

(a)層流;(b)紊流

4.急流與緩流

明渠水流中，可從水流所具有的動(dòng)能和勢(shì)能的對(duì)比，或從水流的流速與干擾波波速對(duì)比，將水流分為急流與緩流。

(1)急流：當(dāng)水深小于臨界水深，佛汝德數(shù)大于1的水流，稱為急流。急流表現(xiàn)形態(tài)為：當(dāng)水流遇到障礙物時(shí)，只引起局部的水面變化，而這種變化不向上游傳播，如圖1F411027—5(a)所示。因此，當(dāng)急流受到建筑物或其他障礙物作用時(shí)，其干擾作用只影響下游，不影響上游。

(2)緩流：當(dāng)水深大于臨界水深，佛汝德數(shù)小于1的水流，稱為緩流。緩流表現(xiàn)形態(tài)為：當(dāng)水流遇到障礙物時(shí)，障礙物對(duì)水流的干擾可向上游傳播，表現(xiàn)為上游的水位壅高。

(a)急流;(b)緩流

1-障礙物;2-涌浪

二、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。

1.底流消能

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主流間的強(qiáng)烈紊動(dòng)、剪切和摻混作用。

高流速的主流在底部。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(zhǎng)，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。

2.挑流消能

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。

3.面流消能

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。

4.消力戽消能

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。

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