高速水流
课件：高速水流
由上式可知：绝对压强愈低，气穴数愈小，发生气穴 的可能性就裕达。当K降低至某一数值Ki时开始发生气穴， 这个气穴数叫做初生气穴数。
‹#1›7
初生气穴数随边界条件而异。初生气穴数的一 些实验值如图：
‹#1›8
初生气穴数Ki越大，气穴越容易发生，越小难发生。
当K＞ Ki 时，气穴不发生；当K≤ Ki 时，有气穴发生。
小浪底排沙洞气蚀
二滩电站泄洪雾化
‹#›3
17－1 高速水流的脉动压强
一 压强对建筑物的影响
动水压强脉动对水工建筑物的影响主要有下列三个方面： 1 增加建筑物的瞬时载荷 —— 水工建筑物受到的
瞬时载荷高于时均载荷，因此提高了对水工建筑物强度的 要求。
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。
2
‹#1›9
2
由此推导出瞬时气穴数
K ' K 6
u'2 v
据试验结果，高度紊流靠近底部的紊动强度的数值接 近于0.15，代入上式得
K ' K 6 0.152 K 0.14
由此可知：瞬时气穴数可能比时均气穴数低0.14
五 防止气蚀的措施
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：
流量，则掺气水流的掺气量
Ca
Qa Q Qa
含水量 Q
Qa
它们之间的关系 Ca 1
若明槽为矩形，并令掺气水流的水深为ha，清水水 流的水深为h，掺气水流断面平均流速为va，清水水流断 面平均流速v，则
Q vhb vh
Qa va haba va ha
‹#2›4ห้องสมุดไป่ตู้
美国科罗拉多河高速水流实验对下游水生生态系统的影响及启示
为 了改 善 河流的 生 态环 境 ，我
国也 对闸 坝调 度开 展 了一 些探 索和
实 践 。例如 ，珠 江 流域 为 了减 轻咸
潮 的影 响 ，实 施上 游水 库 跨省 淡水
大 、泥 沙 多而 著名 。坐 落在 该 河流
上 的格 伦 峡 谷 大 坝 （ ｌｎ Ｇ ｅ Ｃａ ｙ ｎ ｎ ｏ Ｄ ｍ） １ ６ ａ 于 ９ ３年建 成 ，是一 个 多功
机 约 １ ０万 Ｋ ，年 均发 电约 ５ ３ Ｗ ０亿
ｋ ・ （ Ｗ ｈ 林初学 ，２０ ） 。 ０５
建 设格 伦峡 谷 大坝的 目的 是为 了调 节科 罗拉 多 河水 量 ，使得 水量 按 照城 市 电力 供应 所需 要 的平 缓波
生 态调度 ， 通过 营造 适宜温 度的 “ 人
造 洪峰 ”，有效 促进 了 “ 四大家 鱼 ”
改 变 ，弓 背 鲑 ｚ ｃｐ２ 拿 ｙｄ ａ等 濒 危
物 种数量 急剧减 少等 。 １ ８ －１ ８ ９ ３ ９ ６年 ，格 伦 峡 谷 流域
连 续 ４ａ 生 大 洪水 ，洪水 持 续 时 发 间达 １ 个月 之久 ，导 致 河流 下 游的 大量 沙洲和 耕地 被冲 毁 ；而 在 １８ ０ ９
等 问题 ，进行 了 ３ 次调 水调 沙 实验
和 ７次 生 产实 践 ，证实 调水 调 沙是
变 。美 国 内务 部决 定开 展 短时 高速 水 流实 验 来模 拟建 坝前 科 罗拉 多河 夏 季洪 水 ，以寻求 减缓 大 坝对 下游 生 境影 响的方 法 。 截至 到 ２ １ 年 ， ０１
河岸 植 物群 落 的组成 和 分布 也发 生
施之一 （ 李国英等，２ １ ）。 ０１
本 文拟通 过 分析高 速 水流 实验 的 实施 过 程和 结果 ，总 结 科罗 拉 多 河 格伦 峡 谷大 坝调 度 的成 功经 验 ， 探 讨该 实验 对 我 国河 流闸 坝调 度与 河 流保护 的启示 。
第1章 高速水流 概述
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。
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 的目的正在于防范其可能导致的危害。
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。
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 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 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 工程特点的消能形式。
高速水流 科学名词
高速水流科学名词高速水流是指因流速较高而出现空化、掺气、冲击波、强烈脉动等一种或多种特殊现象的水流。
出现高速水流现象的界限流速，随水流条件、边界条件以及不同特殊现象等因素而变。
空化液体内局部压强降低时，液体中未溶微气泡（空化核）迅速长大而形成空泡的现象。
天然液体中都含有空化核，高速水流可导致液体局部压降而形成空化。
空化状态可用空化数σ描述，其表达式为：式中p∞及υ∞分别为来流压强及流速；ρ为液体密度；pv为相应液体温度下的饱和蒸汽压强。
临界状态时的空化数称临界空化数σcr它又可分为初生空化数σi（未空化过渡到出现空化的临界状态）及消失空化数σd（已空化过渡到空化消失的临界状态)。
临界空化数随流动的边界条件等而异。
对于平顺光洁的边界，临界空化数较小。
当水流的空化数σ与相应流动边界的临界空化数σcr相比较后，即可判明空化是否发生。
σ≤σcr，发生空化；σ>σcr，不发生空化。
水流发生空化后,若下游动水压强升高,则空化消失，空泡溃灭，并形成极高的冲击压强。
若空泡在固体边界附近溃灭,高压冲击招致材料的剥蚀损坏,则称为空蚀。
空化还会招致振动、噪声和机械效率降低等后果。
空化现象于20世纪初最先在船舶螺旋桨中发现，30年代后在高水头泄水建筑物中大量呈现。
在设计高水头泄水建筑物时，要注意避免过低的局部压降而出现空化，可在可能出现的空化区通入空气以缓冲空泡溃灭时的冲击，减免对边界材料的空蚀破坏。
掺气高速明渠水流的水、气界面附近向水体中自动掺入空气的现象。
掺气水流为气、液两相流，常发生在陡槽及溢流高坝的泄流中。
水流掺气的成因，主要有表面波破碎而招致掺气及紊流边界层发展到水面而形成掺气等两种观点。
前者把水流自由表面的掺气看成是波浪现象。
当流速足够大时，导致水流表面波浪破碎，从而卷入空气。
后者认为水流掺气是水质点高度紊动的结果。
由于水流表面的紊动，使水质点的动能足以克服表面张力而跃离水面；水滴下落时卷入的空气，又因水流内部的紊动而挟入水面下一定深度。
名词解释
1.高速水流: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。
2.均匀紊流：均匀紊流要求所有紊动特征量不随空间位置而变，也即任何紊动特征量的平均值及其空间导数在坐标作任何平移变换时不变。
3.自由切变紊流：自由切变紊流指的是固体边壁对紊动特性不发生直接影响的紊流，如射流、尾流及混合层等。
4.边壁切变紊流：边壁切变紊流指的是固体边壁对紊动特性有直接影响的紊流，包括流体绕固体边界的流动及流体在固体边界之间的流动两种。
5.脉动壁压：脉动壁压是作用在结构壁(表)面上紊流脉动压强的简称。
6.掺气水流：泄水建筑物过流时，由于水头高、流速大，或者水流表面或过流边界突变，造成大量的空气掺入水流中，此种局部区域或整体区域掺有大量空气的水流称为泄水建筑物过流时，由于水头高、流速大，或者水流表面或过流边界突变，造成大量的空气掺入水流中，此种局部区域或整体区域掺有大量空气的水流称为掺气水流。
7.自然掺气水流：在水流流动过程中，过流边界与水流流态没有突变，仅靠水流紊动而使空气通过水面(水气交界面)进入水流，由此而形成的掺气水流称为自然掺气水流。
8.强迫掺气水流：水流在流动过程中受到某种干扰，如过流边界突变(闸门槽、闸墩、通气槽等)、或水流流态突变(竖井溢洪道、水跃等)、或水流碰撞与交汇，由此而形成的掺气水流称为强迫掺气水流。
9.气泡上升终速：气泡在水流中由静止状态而上升时，在初始阶段处于加速状态，但随着速度的增加，气泡所受阻力也相应增加，最终当气泡所受阻力与浮力相平衡时，气泡将匀速上升，此时气泡上升速度称为气泡上升终速。
10.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。
11.水舌空中消能率：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。
喷雾的原理
喷雾的原理主要有以下几种：
1. 伯努利原理：这是利用流体的特性，当流体在流速大的地方压强较小，而在流速小的地方压强较大。
通过控制流速，流体在通过某一点时，可以产生极细的水粒或颜料颗粒，这些颗粒能长时间悬浮在空气中，形成类似于自然雾的效果。
2. 高速水流碰到障碍物后裂成小水滴的原理：这是利用水压将水压入细管，产生高速水流。
当高速水流碰到障碍物时，它会被撕裂成小水滴，这些小水滴喷出来后就成了雾。
3. 离心力将液体甩出原理：这是利用旋转的雾化盘利用离心力将液体甩出去，撕碎为小液滴。
这类似于雨伞旋转时的情形。
4. 超声雾化原理：这是利用超声波的振动频率非常高，当这些波的“浪”接触到水面时，会产生“浪花”，这些“浪花”其实就是小水滴。
总的来说，喷雾就是通过特定的物理机制，将液体转化成微小的颗粒或水滴，使其能在空气中长时间悬浮并形成雾状效果。
注册土木工程师执业资格考试《专业基础考试》历年考点一览表考点详解及强化训练(高速水流)【圣才出品】
第十一节高速水流11.1 历年考点一览表11.2 考点详解考点一：高速水流的脉动压强和气蚀问题★随着我国水利水电事业的蓬勃发展，修筑的大坝越来越高，泄洪时所产生的高速水流将产生许多特殊的水力学问题，必须对其进行研究。
1．高速水流的脉动压强之前水力学中所讲的动水压指的是时间平均压强，由于高速水流的高度紊动使动水压强产生强烈的脉动。
强烈的脉动压强会引起以下几方面的影响：（1）增加建筑物的瞬时载荷水工建筑物受到瞬时载荷高于时均载荷，因此提高了对水工建筑物强度的要求。
（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振动。
（3）增加气蚀发生的可能性由于瞬时压强可能低于时均压强，即使时均压强未低于发生气蚀的数值，瞬时气蚀仍会发生，从而增大建筑物发生气蚀的可能性。
2．气蚀问题（1）气蚀现象气蚀是水流中局部压强低于某一数值时，水流中发出气泡，气泡被水流带走，到高压区气泡突然溃灭，产生巨大冲击力，引起建筑物剥蚀的现象。
（2）发生气蚀的原因气蚀产生的机理十分复杂，一般认为当水流压强接近或低于相应温度的汽化压强（一定温度下使液体汽化的压强）时，水流内部就会放出大量气泡（气空现象）。
气泡产生的原因是水流内部含有许多空气与蒸汽的微小气泡，叫作气核。
由于高速水流的高度紊动，可将低压区放出来的气泡随水流带走，当被带到下游高压区时，由于内外压差迫使气泡突然溃灭，四周的水流质点以极快的速度去填充气泡空间，产生巨大的冲击力，这种巨大的冲击力不停地冲击固体边界，使固体表面造成严重的剥蚀。
（3）判别气穴的指标——气穴数气穴数：22()/1/22v v v P P P P K v g γρ--==式中，P 、ν分别为水流未受到边界局部变化影响处的绝对压强和平均流速。
P ν为蒸汽压强。
ρ为水的密度。
γ为水的重度。
当K降低至某一数值K i时，即开始发生气穴，这个气穴数K i叫作初生气穴数。
水电站泄水建筑物高速水流冲刷后混凝土修补工艺
水电站泄水建筑物高速水流冲刷后混凝土修补工艺简介：公伯峡泄水建筑物工程在过水试验受到高速水流冲刷破坏后，可利用NE—Ⅱ型环氧砂浆工艺进行修补，为水工建筑物混凝土过流面的抗冲刷、抗磨损、抗气蚀及抗冻融保护，以及破坏后的修复提供宝贵经验。
关键字：泄洪洞高速水流冲刷修补工艺1.概述公伯峡右岸水平旋流式泄洪洞工程是我国建成的第一大规模的水平旋流洞，泄洪洞总水头110m，校核洪水位和设计洪水位分别为1090m3/s和1060m3/s，泄洪功率较高，技术难度大。
因而电站泄水建筑物高速水流冲刷后混凝土修补工艺也成为一项技术要点。
对此，文章对该项技术给出具体施工组织及方案。
水电站泄水建筑物施工完成后，混凝土达到28d等强期，坝前库水位接近设计洪水位后，开始对混凝土过流面进行过流试验。
水电站对泄洪洞进行高速水流试验，试验时库水位在1003.4—2004.0m，对应下泄流量1100—1130ｍ2/s，库水位接近于设计洪水位。
利用5天时间前后做了3次过流试验。
试验结束后，设计、监理、业主及施工单位联合对泄洪洞过流后的混凝土面进行仔细认真的检查。
检查完成后由施工单位绘制完成冲刷、破坏素描图，经由监理复核后上报业主及设计。
检查发现，该电站泄洪洞过水试验后过流面多处发生不同程度的冲刷破坏，破坏区域均为过流前缺陷处理部位。
为此设计提出用NE—Ⅱ型环氧砂浆处理。
材料性能2.1材料主要性能指标主要技术性能指标:抗压强度为80Mpa，抗拉强度为10Mpa，与混凝土粘结抗拉强度>4Mpa，抗冲磨损度2.791h/(g/cm2),不透水系数19.6Mpa.h，抗压弹性模量2150Mpa，线性热膨胀系数9.2×10-6/℃，碳化深度为0.86mm，抗冲击力为 2.1KN/ｍ2,吸水率为0.18%，老化性能优良，耐化学腐蚀性30%NaOH、50%NaOH、10%盐水均耐腐蚀，毒性物质含量苯、甲苯加二甲苯及总挥发物按室内装修材料测试方法检验均合格。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章一、填空题1、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。
二、名次解释高速水流；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三、问答题1、层流与紊流的本质区别是什么？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)要比分子的输运能力大几个数量级。
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。
2、与处于中、低速运动的水流相比，高速水流的流动特性有哪些新的变化？1、高速水流通常为复杂边界条件下的多相体系紊流2、高速水流与过流边界之间的相互作用更加突出3.高速水流中惯性力的作用更加突出3、高速水流存在哪些特殊的水力学问题，请简要说明。
1、高速水流的紊动与流激振动,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一4、空化空蚀高速水流通过泄水建筑物某些部位时，固壁常出现剥蚀甚至破坏现象。
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成的一种波4、高速水流的研究方法有哪些？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。
第二章一、填空题1、从水流紊动特征的空间变化出发，可将紊流分为均匀紊流与非均匀紊流。
2、非均匀紊流又可细分为自由切变紊流及边壁切变紊流。
3、边壁切变紊流包括流体绕固体边界的流动及流体在固体边界之间的流动两种两种。
4 脉动壁压强度、主频率及其频谱持是结构设计中甚为关注的物理量。
5、根据紊流运动的特性，可将水利工程中切变紊流的脉动壁压分为平顺水流情况下的脉动壁压与强紊流情况下的脉动壁压。
两种。
二、名词解释均匀紊流所有紊动特征量不随空间位置而变，也即任何紊动特征量的平均值及其空间导数在坐标作任何平移变换时不变。
自由切变紊流固体边壁对紊动特性不发生直接影响的紊流，如射流、尾流及混合层等边壁切变紊流固体边壁对紊动特性有直接影响的紊流，包括流体绕固体边界的流动及流体在固体边界之间的流动两种脉动壁压作用在结构壁(表)面上紊流脉动压强的简称。
三、问答题1、高速水流的紊动有哪些特征，请简要说明。
(1)能量耗损, 水流运动必然要消耗能量。
能量耗损是由其内的小尺度涡体通过黏性作用而造成的（2）动水荷载当泄水建筑物泄流时，作用于其边壁上的动水荷载是导致建筑物振动的激振力，这种动水荷载实际上是边壁上的脉动压强与脉动切应力沿过流面综合作用的结果。
（3）两相紊流高速水流或多或少地挟带有气泡，基本上属水—气两相紊流2、紊流模型有哪些？雷诺应力模式(RSM)、代数应力模式(ASM)、K-ε两方程模式和紊流半经验理论3、用于描述紊流随机场的低阶统计量有哪些？①均值；③均方值(包括均方根值)；③概率密度函数；④相关函数；⑤谱密度函数。
4、水利水电中的脉动壁压研究主要集中在哪些方面？(1)脉动壁压的形成机理；(2)高速水流单点脉动壁压统计特性；(3)高速水流脉动壁压的空时相关及波数频率谱特性；(4)压力传感器形状与尺寸对脉动壁压实测值的影响。
5、压力传感器形状与尺寸对脉动壁压实测特征值有什么影响？（1）在波数一定的条件下，压力传感器直径越大，高波数谱密度的衰减越大。
对给定的压力传感器，波数越高，其谱密度的衰减越大。
（2）压力传感器直径越大，所实测山的脉动壁压强度越低，其拟合关系式为（3）实侧的脉动缝压可视为紊流中的各种“基本”结构(脉动壁压元)作用于压力传感器承压面的结果，也即压力传感器直径越大，作用于其上的紊流中的各种“基本”结构数也越多。
如果认为各个脉动壁压元是相互独立，并服从同一概率密度分布的，则所实测出的脉动壁压信号越接近正态分布。
第三章一、填空题1、由于掺气原因不同，—般将掺气水流分为强迫掺气水流与自然掺气水流两大类。
2、从纵向上看可将明渠掺气水流分无气区、掺气发展区及掺气充分发展区三个区域。
3、视掺气散裂程度的不同可将高速挑射水流分为部分掺气散裂射流、充分掺气散裂射流及完全掺气散裂射流三种。
4、自由跌落水流能否掺气，关键在于关键在于射流流态及其入水流。
5、附壁跌落水流的流态有表面流、波状流、附着底及穿透流四种。
二、名词解释掺气水流: 泄水建筑物过流时，由于水头高、流速大，或者水流表面或过流边界突变，造成大量的空气掺入水流中，此种局部区域或整体区域掺有大量空气的水流自然掺气水流: 在水流流动过程中，过流边界与水流流态没有突变，仅靠水流紊动而使空气通过水面(水气交界面)进入水流，由此而形成的掺气水流强迫掺气水流: 水流在流动过程中受到某种干扰，如过流边界突变(闸门槽、闸墩、通气槽等)、或水流流态突变(竖井溢洪道、水跃等)、或水流碰撞与交汇，由此而形成的掺气水流气泡上升终速：气泡在水流中由静止状态而上升时，在初始阶段处于加速状态，但随着速度的增加，气泡所受阻力也相应增加，最终当气泡所受阻力与浮力相平衡时，气泡将匀速上升，此时气泡上升速三、问答题1、水流掺气对水利工程有哪些影响？(1)泄水建筑物过流边界附近掺气可以减免空蚀破坏。
已有研究成果表明，当水流中掺气浓度达到3％～7％时，即可起到避免空蚀破坏的作用，而当掺气浓度达到10％后则可完全避免空蚀破坏。
(2)桃射水流在空中的扩散掺气可以减小水流进入下游水垫的有效冲刷能量，从而减小水流对下游河床的冲刷。
(3)水垫或水跃中掺气以后，由于水流吸入大量空气，增强了紊动摩擦，由此也可消耗一定的能量。
(4)水流掺气使水体膨胀，水深增加，因而需加高溢洪道边墙，对明流隧洞则要求加大余幅。
2、自然掺气水流的掺气机理是什么？其一是水气交界面上的水面波失去稳定，在波破碎过程中将空气卷入水流中，这是水流能够掺气的首要条件；其二是水气交界面附近的紊动足够强烈，以至于水滴在垂直于水气交界面方向上的动量能克服表面张力的作用，于是水滴跃离水气交界面，在下落过程中与水气交界面碰撞而使水流挟气，并进而通过紊动扩散作用将水面附近挟入的气泡输运至水流内部，这是水流掺气的必要条件。
3、掺气观测方法有哪些？(1)取样法：一般常用负压取样器，通过对样品的水、气分离处理测得掺气量。
(2)电测法：一般有电阻法、电容法多种，常用电阻法。
其工作原理系用水和空气的导电率不同，水气混合后的导电能力随水中掺气量的多少而异。
4、泄水建筑物主要应用的基本掺气设施有哪些？（1）掺气挑坎（2）掺气跌坎（3）掺气槽（4）挑坎与跌坎组合（5）挑坎与掺气槽组合（6）跌坎与掺气槽组合（7）挑坎、跌坎和掺气槽组合5、各种基本掺气设施有什么优缺点？（1）掺气挑坎使用挑坎使水流向上挑射，脱离坎的下边界。
当挑坎具有一定的高度时在坎下形成空腔，在各级水头和流量下均可以形成一定长度的稳定空腔，使水流掺气。
但当挑坎的高度过低时，水舌下底缘的反向漩滚会淹没空腔;挑坎高度过高时，一方面射流水舌底板的冲击压强较大，另一方面对原水面扰动较大，会抬高水面高度，在明流泄洪洞中可能造成封顶的现象，威胁洞身安全。
加设适当的挑坎高度，基本不变动原过流边界，在新建和改建工程中都可以采用，但它对过流建筑物流态影响比较大。
（2）掺气跌坎采用上下游过流边界错开一定的高度，形成一跌坎，使水舌脱离坎的下边界，形成空腔进行掺气。
对原水流的扰动较小，水舌落水对底板的冲击力也小，不致产生冲击波。
一般在新建工程中采用，为了得到相同的空腔长度，掺气跌坎的高度要高于挑坎。
（3）掺气槽在泄水建筑物过流面上垂直于水流方向构筑一掺气槽，其作用是在射流形成空腔的情况下，用以增大空腔体积，保证正常通气。
掺气槽的尺寸大小应该满足布置通气出口的要求。
（4）挑坎与跌坎组合为了提高掺气的强度，增加保护长度，可以考虑在降低跌坎高度的同时，在跌坎上增设小挑坎。
这样，既可以保证掺气空腔的长度，又便于通风井的布置。
（5）挑坎与掺气槽组合在掺气槽的上游设置挑坎，这种形式对水流的扰动比较小，流态较为平顺。
但在小底坡过流较长的建筑物中，这种形式在掺气槽内容易引起积水和泥沙的淤堵。
（6）跌坎与掺气槽组合对来流扰动小，具有便于通气井的布置、低Fr 数流动情 况下增加水气接触面和通气量等特点。
（7）挑坎、跌坎和掺气槽组合6、掺气减蚀设施研究中存在哪些问题？（1）机理研究落后于工程实践。
（2）传统的掺气减蚀设施的型式尚无法满足各种复杂条件下的工程需求。
（3）非均匀流段掺气水流运动特性有待深入认识。
（4）空腔回水问题。
四、计算题1、对于矩形明渠，假设掺气水流中的空气是均匀分布的，已知掺气前的水深为2m ，掺气后的水深为2.5m ，试根据“增胀”概念求掺气后的水流含气浓度（未掺气水流与掺气水流流速相等）。
Ha 表示掺气水流的水深H 未掺气水深--=c h h a 11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，水下淹没扩散段三段。
3、岩基破坏过程分解为 ①解体过程 ②拔出过程 ③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 消力池 。
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 跌坎面流和戽斗面流 两类。
二、名词解释溢流边界层：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。