高速水流概述
水力学课件最终版 (29)
高速水流会产生许多特殊的水力学问题,主要有下
列四个方面：
1.发生强烈的压强脉动—过去水力学中所讲的动水压强 指的是时间平均压强。
2.发生气蚀现象—高速水流通过泄水建筑物的某些部位 时，固体表面常被剥蚀和破坏，这种现象叫气蚀。
3.发生掺气现象—当流速达到一定程度，有自由表面的 水流中将掺入大量空气，使液体连续性遭到破坏，过
2.可能引起建筑物的振动——由于脉动压强具有周 期性变化，压强时大时小往复作用在建筑物上，可能促使 轻型结构产生强烈的振动。
EXIT 5
3. 增加气蚀发生的可能性——气蚀是水流中局部压强 低于某一定数值时，水流中放出气泡，气泡随水带走，到 高压区气泡突然溃灭，产生巨大的冲击力，引起建筑物的 剥蚀现象。
2
dt
用数值积分形式表示，则
Dx
1 N
N
x
ti
x
2
i 1
EXIT 11
3) 相关函数
R
T
1
T
0
x t
x x t
xdt
用数值积分形式表示
R
Rq
1 N q
N q
x ti
i 1
x x ti
x
4) 功率谱密度
S
f
40
R
cos
2πf
d
式中：f为频率，实际上积分上限只能取有限值
EXIT 12
行统计，求出各区间出现次数与样本总数之比，此比值称为 相对频数，相对频数除以区间间距即得概率密度。
EXIT 14
（2） 脉动压强数据处理的步骤及参数的选择
1)采样 2)求均值
采样间隔 t 1
2 fc
3)求脉动值
消防水力学基本知识
消防水力学基本知识1、扑救火灾时常犯的一些错误:如：1)电器、电设备起火在没有切断电源的情况下用水去泼；2)汽油、煤油、柴油等油类可燃液体着火用水去泼灭；3)炙热的金属如高温的铁水、钢水起火用水去扑救…水是无嗅无味的液体，是人类赖以生存的基本物质。
它取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此水是最常用、最主要的灭火剂。
主要内容⏹一、水的基本特性⏹二、水的主要物理性质⏹三、水的化学性质一、水的基本特性⏹水有三种状态：固体、液体和气体。
液体与固体的主要区别是液体容易流动，液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩。
⏹水在常温下为液体，在常压下、水温超过100℃时，蒸发成气体，水温下降到0 ℃时，凝结成固体称为冰。
(一)水的比热容水温升高1℃时，单位体积的水需要吸收的热量，称为比热容。
若将水的比热作为1，则其他液体的比热容均小于1，水比任何液体的比热容都大。
1L的水温升高1 ℃，需要吸收4200J的热量。
若将1L常温的水（20 ℃）喷洒到火源处，使水温升高到100 ℃，则要吸收热量336KJ。
水的比热容大，因而用水灭火、冷却效果最好。
(二）水的汽化热单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量称为汽化热。
水的汽化热很大，1L100℃，变成100℃的水蒸气，需要吸收吸收2264KJ的热量。
水蒸气占燃烧区的体积达35﹪时，火焰就将熄灭。
三）水的冰点纯净的水当温度下降到0℃时，开始凝结成冰。
结冰时，释放出溶解热335KJ/L。
处于流动状态的水不易结冰，在冬季火场上，当消防队员需要转移阵地时，不要关闭水枪。
二、水的主要物理性质（一）密度和容重⏹液体单位体积内所具有的质量称为密度。
⏹液体单位体积内所具有的重量为容重。
⏹不同液体的密度和容重各不相同、同一种液体的密度和容重又随温度和压强而变化。
⏹在正常大气压强条件下，水在不同温度时的容重见表4-1。
⏹表4-1 水在不同温度时的容重(二)黏滞性⏹当液体一旦流动时，分子间的作用力却立即显示为流动的抗阻作用，即显示处所谓的粘滞性阻力（内摩擦阻力），液体的这种阻抗变形运动的特性就称为粘滞性,也叫“内摩阻”。
大学课件-给水处理-过滤
滤层膨胀度：反冲洗时，滤层膨胀后所增 加的厚度与膨胀前厚度之比。
e L L0 100 % L0
石英砂滤料的膨胀度为45% 冲洗时间：一般采用5-7分钟，也可根据
冲洗废水的允许浊度确定。
高速水流反冲洗的优缺点：
操作方便，池子和设备较简单； 冲洗耗水量大，冲洗后，滤料上细下粗分
层明显。
17.4.2. 气、水反冲洗
小阻力配水系统
Qc
S1 S1
S
' 2
S
'' 2
Qa2
S1
1
S
'' 2
v02
v
2 a
2g
•减小干管和支管的进口流速，同样可使布水趋于均匀。
•“小阻力”即指配水系统中孔口阻力较小，这是相对 于“大阻力”而言的。
•小阻力配水系统不采用穿孔管，而采用穿孔滤板、滤 砖和滤头等。
由于孔口阻力与孔口总面积或开孔比成反比， 故开孔比愈大，阻力愈小。
原水浊度和色度较低，水质变化较小。 通常采用双层、三层或均质滤料。滤料粒径
和厚度适当增大。 原水进入滤池前，不应形成大的絮凝体以免
很快赌塞滤层表面孔隙。为提高微絮凝体强 度和粘附力，有时需投加高分子助凝剂以发 挥高分子在滤层中吸附架桥作用。 滤速应根据原水水质确定。
17.2.2 过滤水力学
与等速过滤相比，在平均滤速相同情况下， 减速过滤的滤后水质较好，在相同过滤周 期内，过滤水头损失也较小。
（4）滤层中的负水头
在过滤过程中，当滤层截留了大量杂质以 至砂面以下某一深度处的水头损失超过该 处水深时，便出现负水头现象。
负水头会导致溶解于水中的气体释放出来 而形成气囊。气囊对过滤有破坏作用。
水射流基本理论讲解课件
目录
• 水射流概述 • 水射流形成机制 • 水射流动力学特性 • 水射流切割性能 • 水射流清洗性能 • 水射流案例分析
01
水射流概述
水射流定义
01
02
03
高速水流
水射流是以水为工作介质 ，通过加压设备或重力作 用，形成高速水流。
连续或脉冲
水射流可以是连续的水流 ，也可以是脉冲的水流， 这取决于使用的喷嘴类型 和操作条件。
水射流切割应用
工业制造
水射流切割广泛应用于汽车、航 空航天、船舶、电子等工业制造 领域，用于切割金属、非金属、
复合材料等各类材料。
建筑行业
水射流切割可用于混凝土、岩石等 建筑材料的切割，具有切割精度高 、损伤小等优点。
医疗领域
水射流切割在医疗领域也有广泛应 用，如手术中的组织切割、牙齿治 疗中的龋齿去除等。
水射流形成原理
液体压力与流量关系
当液体受到压力时，它会形成一条直 线射流。压力越大，射流越快，流量 也越大。
射流的形成与扩散
当液体的压力足够大时，它会以极快 的速度向外扩散，形成射流。随着射 流扩散，压力逐渐降低，速度也逐渐 减慢。
水射流形成过程
喷嘴设计
喷嘴是形成水射流的关键部件。 根据不同的需要，喷嘴可以有不 同的形状和尺寸。
2. 机身表面清洗：水射 流可用于飞机和航天器 机身表面的清洗，去除 附着的尘埃和污垢，提 高飞行器的气动性能。
3. 流体动力学研究：水 射流在航空航天领域中 还被用于流体动力学研 究，以了解流体与飞行 器表面的相互作用。
水射流在环保领域中的应用案例
总结词：水射流在环 保领域中应用广泛， 能够有效地处理环境 污染问题，提高环境 质量。
17高速水流
四 水流紊动对气穴发生的影响
瞬时气穴数
K'
K
1
p'
v 2
2
由上式可以看出：瞬时气穴数可能比时均气穴数小，
时均气穴数K大于初生气穴Ki 时，瞬时气穴数K’ 可能小
于初生气穴数Ki ，所以瞬时气穴可能在K＞ Ki 时发生。
根据各向同性紊流模型进行计算泰勒发现。
‹#1›2
S
f0'
1 2
S
f0
S
f1
S
fk'
1 4
S
f k 1
2S
fk
S
f k1
S
fM '
1 2
S
f M 1
S
fM
式中 k=1,2,3,4…M－1
5) 概率密度函数
从图中的样本记录采用得到N个x(ti)值（i＝1，2，3…. N）。将它们的数值范围分成若干区间，然后将N个x(ti)值进 行统计，求出各区间出现次数与样本总数之比，此比值称为 相对频数，相对频数除以区间间距即得概率密度。
防止气蚀的措施已有不少经验，主要有下列几方面可供参考：
1. 边界轮廓要设计成流线型。 2. 施工后，过水表面上不应存在有钢筋头等各种残留
‹#2›0
突起物对过水边界表面在施工中可能造成的不平 整要加以控制。下图为斜坡及三角突起体两种表面不 平整型式的初生气穴数曲线。
‹#2›1
3. 在难于完全免除气穴的地点，采用抗蚀性能强的材料 做护面。抗蚀性能强的材料最常用的有下列几种： （1） 高标号混凝土 （2） 环氧树脂加填充料，其抗气蚀性能比混凝土要好。 （3） 采用1～2cm厚的工业用橡皮板做护面，如果与混凝土 底层连接牢固，其抗气蚀效果比环氧树脂配料要好得多。 （4） 利用人工掺气防止气蚀。
潜艇泵喷推进器原理_理论说明以及概述
潜艇泵喷推进器原理理论说明以及概述1. 引言1.1 概述潜艇泵喷推进器是一种先进的水下推进技术，它通过将水流引导到泵中，并通过喷射产生推力来推动潜艇。
相比传统的螺旋桨推进系统，潜艇泵喷推进器具有更高的效率和更好的机动性能。
本文主要介绍潜艇泵喷推进器的原理和工作原理，解释其流体力学原理、压力传递机制以及能量转化过程。
1.2 文章结构本文共分为五个部分。
首先，在引言部分我们将对本文进行总体概述和结构安排。
其次，介绍潜艇泵喷推进器的原理，包括其工作原理、结构组成以及优缺点。
接着，在理论说明部分我们将详细探讨潜艇泵喷推进器涉及的流体力学原理、压力传递机制以及能量转化过程。
然后，在实际应用与发展现状部分我们将分析现有的潜艇推进系统应用实例，并探讨技术改进与创新发展趋势以及当前所面临的挑战和解决方案。
最后，在结论与展望部分我们将对文章进行总结，展望未来潜艇泵喷推进器技术的发展，并提出相关的建议和可能的改进方向。
1.3 目的本文旨在深入解析潜艇泵喷推进器的原理和工作机制，从流体力学和能量转化等角度进行理论阐述，并对其现实应用与发展现状进行分析和评估。
通过对该技术的全面研究，我们可以更好地了解潜艇泵喷推进器在海洋探索、军事应用以及科学研究等领域的实际效果和应用前景，为未来该技术的发展提供参考和指导。
2. 潜艇泵喷推进器原理：2.1 工作原理：潜艇泵喷推进器是一种基于马达流体力学原理的推进装置，它通过动力的提供和流体力学原理的应用，实现潜艇在水下前进的目的。
其工作原理主要包括以下几个步骤：首先，在潜艇内部通过压缩空气或者液压系统产生高压能。
这些高压能会被输送到潜艇泵喷推进器中。
接着，高压能被潜艇泵喷推进器中的泵转化为高速水流。
这些水流会经过推进器中的导向器进行方向调整，并注入到反推系统中。
然后，在反推系统内部，高速水流以极高速度从喷嘴中释放出来。
这个过程类似于火箭发动机的工作原理，因此也被称为“水下火箭”。
最后，由于动量守恒定律，高速水流从反向释放出来时会产生一个相等但相反方向的反作用力，从而使得潜艇在水中获得向前的推进力。
第十二章 高速水力学基础
图12.5
EXIT
19
这一理论得到了试验观测的证明。采用高速摄像技术观测 陡槽水流水面的沿程形态，可以发现，水流进入陡槽，流 态由缓流变为了急流，但水流具有未受扰动的势流核，表 现为自由水面未受扰动，水面较为光滑，水流与空气的分 界面有着规则轮廓。随着水流速度变大，表面上由侧壁产 生的波状扰动沿程向水流中部发展，直至整个自由水面上 有涟漪波发生和发展，水流表面变得凹凸不平（见图12.6）。
EXIT
6
6. 泄洪雾化 泄洪雾化是泄洪过程中产生的降雨和水雾的现象，以及评估这 些降雨和水雾对枢纽建筑、边坡和周围环境的不利影响。 在挑流消能时，水舌从空中下落，由于水体紊动强烈而激溅四 射，生成大量的水团、水股，散落在河水中及其两岸山坡上， 形成比天然降雨大得多的局部降水；水舌落入河水中时，高速 水流的剧烈碰撞也激溅起大量水体，形成岸边降水；由于水流 在空中和岸边的飞溅，形成大量水雾，弥漫与河谷中，随风飘 向远方。形成典型的泄洪“雾化”现象。在实际工程中，由于 泄洪雾化而影响枢纽汛期安全运行和污染环境的情况时有发生 。因此，人们迫切需要了解泄洪雾化的强度分区范围及其可能 造成的危害，提出预报方法，以便妥善地进行建筑物的布置， 或采取相应的防护措施保障枢纽安全运行。
图12.2 高速水流的冲刷
EXIT
11
考虑到高水头的泄水建筑物往往修建在高山峡谷地区，所以仅 对岩石河床破坏的机理进行介绍。基岩冲刷破坏机理方面存在 两种基本观点：
（1） 表面冲蚀理论 由于基岩自身强度低于水流的冲刷能力，水流从表面开始对基 岩不断剥蚀，导致基岩破坏。或者高速水流冲过基岩凹凸不平 的表面，在“突体”下游形成空蚀坑，随着空蚀范围的扩大而引 起基岩破坏。
EXIT
5
5. 掺气减蚀 如果时间足够长，空蚀对过流壁面的破坏力很强，是高水头泄 水建筑物安全运行中面临的重要风险。必须采取措施，使过水 建筑物免遭空蚀破坏。研究和实践均表明，水流掺气有助于制 止空蚀的发生和发展过程，是一项经济有效的减蚀措施，在水 利水电工程中得到了广泛的应用。由于自掺气发展到壁面需要 一定的条件，当溢洪道、泄洪洞等泄水建筑物水流流速超过 30m/s或空化数小于某一临界值时，在过流壁面上设置挑坎、 凹槽或者跌坎，使水流脱离壁面，用通（补）气孔把脱壁区与 外部大气连通。脱壁区压强下降，将空气吸入水流中。在掺气 减蚀设施下游一定距离内，近壁水流中的空气含量不小于某一 临界值时，就能起到减免空蚀破坏的作用，这就是掺气减蚀。 因此，需要对掺气减蚀设施的布设位置、型式、尺寸、掺气量、 保护范围，通风补气系统的体型等问题开展研究。
高速水流第一部分_20130512
P0－Pv
(P0－Pv ) ／ 2 V0 / 2 g
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空穴发展之初的表现形式为彼此不相连或者相连的单 个气泡组——空穴。这种形式定义为初生空穴。此时 的空穴数称为初生空穴数i。从理论上而言，某一固 定边界形式，初生空穴数i是一个固定值，是与体型 相关的一个空穴数，通常由减压模型试验来确定。 空穴数是与水流状态有关，初生空穴数则是与过流边 界有关。 当空穴数＞初生空穴数i时，不会发生空穴；空穴 数＜初生空穴数i可能会发生空穴。而且，初生空 穴数越大，越容易发生空穴，从而导致空蚀。
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三种功率谱型
过渡型谱
宽带谱型
低频窄带谱型
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卡基娃工程闸门脉动压强与功率谱
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高速水流运动基本方程
高速水流的运动速度虽然相对较高，其仍是流体的宏观运 动，水流仍可视为连续介质，如其含气浓度不高，将其视 为不可压缩流体，则运动控制方程仍为Navier-Stokes方 程，以时均运动的控制方程为例，引入雷诺假设，有
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成的一种波。在一定条件下，即使侧墙几何形状与尺寸不变，
在槽宽水浅的陡槽中也可产生波，称为滚波。急流冲击波与 滚波的出现改变了水流原有的运动特征，增加了下游消能的 困难。因此，应研究急流冲击波与滚波的形成条件以及急流 冲击波与滚波的计算方法。
五、高速水流的研究方法
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。影响高速水流的因素很多，单
纯的理论分析只能把握其主要影响因素。试验研究与原型观 测目前乃至今后相当一段时间仍然是高速水流研究的主要方
法，但模型试验费时费工，且从技术上来看也有可能存在缩
尺效应，而原型观测亦受场地及泄流条件等的限制较大。数 值计算在高速水流中的应用已有不少成果，但仍有待于进一 步深入、系统与完善。
第1章 概述
学习提示
1、平时成绩
平时成绩主要是出勤（点名）和讲课，占总评成绩的30%左右。
2、学习参考资料
《高速水流》 刘士和 科学出版社 《高速水力学》 李建中 西北工业大学出版社 《现代水力学工程湍流数值模拟及其应用》 倪浩清 中国水利水电出版社
《明槽急变流：理论和在水工中的应用》 余常昭 清华大学出版社
可能导致处于其中或构成其边界的结构物的振动甚至破坏。 因此，应研究高速水流的紊动特征，尤其是要弄清高速水流 作用于其过流边界上的脉动荷载。
2、高速水流的掺气 高速水流内高强度紊动的存在是导致其内维持一定含气 浓度的必要与充分条件。高速水流掺气后，水体的连续性被 破坏，其原有的水力特性也相应改变。因此，应弄清高速水
三、高速水流的流动特性
1、高速水流通常为复杂边界条件下的多相体系紊流。如掺
气水流为水一气两相流；雾化水流的雾流扩散段为气一水两 相流等。 2、高速水流与过流边界之间的相互作用更加突出。如流激 振动中存在水流与固体边界的流固耦合；渠道中边墙的偏转 可导致急流冲击波的形成；雾化水流中 的雾流降雨在很大程度上依赖于下游地形等。此外，由高速 水流形成的空蚀破坏甚至还将导致水流边界的改变。 3、高速水流中惯性力的作用更加突出。由于高速水流具有 如上特点，如在设计或施工中不加以注意，其有可能导致结 构物或水力机械工作条件的恶化，甚至破坏。研究高速水流
流的掺气条件及水流掺气后水力要素的计算，以此来判别水
流掺气后对结构可能造成的影响。 3、高速水流的消能 高水头泄水建筑物上的高速水流具有巨大的动能，如何 将其进行有效的转化，使上、下游水流以适当的形式相衔接
是水利水电工程中的重要问题之一。因此，应研究适合具体
工程特点的消能形筑物某些部位时，固壁常出现剥蚀
的目的正在于防范其可能导致的危害。
四、高速水流存在的特殊水力学问题
1、高速水流的紊动与流激振动
研究高速水流紊动的基础仍然是紊流理论。高速水流中
存在着多种尺度的运动，在三维紊流中其含能涡与耗散涡的 尺度之比近似与雷诺数的9／4次方成正比。由于高速水流的
雷诺数很大，其内各种紊动尺度共存，水流紊动强烈，并有
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。
二、高速水流的定义
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。 习惯上常将流速达到15～20m／s以上的水流称为 高速水流。
《 负压与高速水流情况下的过水建筑物设计问题》 《泄水工程与高速水流》 吉林科学技术出版社 中国工业出版社
3、授课计划
32学时（具体见授课计划表）。
一、层流与紊流的本质区别
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
甚至破坏现象。因此，应研究高速水流空化与空蚀破坏的机
理以及采用何种措施来防止或减轻空蚀的破坏作用。 5、高速水流的雾化 高速水流的雾化对水利水电工程的安全运行具有潜在威 胁，并有可能导致山体滑坡、中断交通及闪络跳闸等事故的
出现。因此，应研究雾化水流的特性，采用适当的措施防范
其危害。
6、急流冲击波与滚波 急流冲击波是渠槽中因侧墙几何条件的变化而在水面形