高速水力學

高速水力學

定義：

大家知道，水力學是研究液體運動規律及其應用的科學。高速水力學是研究水流在高速流動情況下的運動規律及應用這些規律解決工程實際問題的科學。即是說高速水力學包括兩大部分內容：一部分是水流高速運動規律的研究；另一部分是應用這些規律解決工程實際問題研究。

什麼叫“高速”，多大的速度屬於高速的範疇，這一點到目前為止還沒有嚴格的數字界限。過去有人說7~8m/s以上的速度就屬高速了，因為當明槽水流達到這個速度時，水流就開始摻氣了。但也有人說5m/s以上的流速就為高速，因為水流達到5m/s的速度時，其脈動與紊動已較強烈，局部地區已開始摻氣。還有人說，明槽急流就是高速水流，因為急流會發生一些特殊的水流現象，如衝擊波等。

根據近30多年來對高速水力學的研究與認識，看來20m/s以下的流速，雖然有摻氣、空化、脈動、衝擊波等高速水力學問題，但不是很嚴重，對確定水工建築物的體型影響不大，所以一般可不作為高速水力學問題處理，按一般水力學問題計算就可以了，而把流速達到20~50m/s的水流作為高速水力學研究的主要範疇。也就是說，高速水力學主要指研究流速為20~50m/s的水流的運動規律的學科。

研究內容：

一般來說，高速水力學包括以下六個研究課題：

1、水流脈動與水工建築物的振動

人們發現水流在運動中有脈動現象是本世紀30年代的事，距今只有70年。我國在50年代開始研究，特別是在50年代後期這方面的研究有較大的發展，后因觀測手段跟不上，數據理論與分析手段落後，很長一段時間進展不大。到80年，由於實驗與測試技術的改進，數據處理分析中計算機的應用，水流脈動的研究有了更多的進展與提高。

研究脈動的基礎應是紊流理論，近年來藉助隨機理論推動了這個課題的發展。

國內外都對這個課題的研究非常重視，但這個課題能否有進展，主要與觀測及分析技術有關，與紊流理論的發展和應用有關。

2、摻氣水流

高水頭泄水建築物中的水流，由於水頭高，流速大，在一定條件下會摻入大量空氣，形成摻氣水流。摻氣水流是高速水力學中發現最早的一種現象，本世紀20年代就已經開始了室內外研究，但主要研究的是自摻氣水流，本世紀60年代以來人們的注意力，更著眼於強迫摻氣水流，利用摻氣減免空蝕推動了強迫摻氣水流的研究。

3、空化與空蝕

空化與空蝕最早是在航海界發現的，到本世紀30年代才在水工建築物上發現。由於與水流運動接觸的固壁上都可能有空化與空蝕，所以這個課題的研究人力多，領域廣，成果也多。

水工建築物的空化與空蝕，從30年代開始，很長時間內側重於過水建築物合理體型的設計，抗空蝕材料的研究以及在施工中控制不平整度。但問題一直未得到解決，到60年代美國首先用摻氣減蝕獲得成功，以後不少國家都相繼採用，效果良好。我國從70年代開始在工程中採用摻氣減蝕措施。

我國減免空蝕的研究，在70年代有較大的發展，很多研究單位相繼建設了研究設備。這方面的研究能否取得進展主要與空化研究設備、測試技術、空化機理有關，對我國還應研究含沙水流對空化的影響。

4、泄水建築物的消能防沖

我國的水利水電建設工程主要是兩大類，一類是高水頭、大流量，窄峽河谷的大中型工程，另一類是面廣量大的中小型工程。兩類工程中都有不同的高速水力學問題，特別是消能防沖問題在兩類工程中普遍的存在著。

近年來我國已突破了傳統的底、面、挑三種消能方式，而大量的採用了落水點前後錯開，挑坎高程不同的大差動泄洪，各種異形挑坎，窄縫挑坎等收縮式的新型消能工還有摻氣分流墩，寬尾墩等輔助消能工及其多者結合的綜合消能措施，解決了我國許多布置複雜，地形地質條件不利的工程的消能與防沖問題。例如東江、龍羊峽水電站的消能工使下游沖刷減小40%，寬尾墩，摻氣分流墩的出現給深尾水，低佛氏數的泄洪消能防沖工程帶來了廣闊的前景，安康、五強溪等工程採用寬尾墩后，使消力池長度縮短了1/3~1/2.

5、明槽急流控制的研究

在不少大、中型水利樞紐工程中，岸邊溢洪道是主要的泄水建築物，為利用其地形，往往溢洪道有轉彎，變底坡斷面的收縮與擴大等情況。溢洪道或明流泄洪洞中的水流一般為急流，遇到上述情況，將產生衝擊波等問題，對溢洪道及泄洪洞的正常運用是不利的所以人們一直在想法對急流進行控制，對急流怎麼控制，需要採取哪些措施，這也是高速水力學研究的課題之一。

6、泄水建築物紊流邊界層的研究

我國對泄水建築物紊流邊界層的研究，在國際上可以說是領先的，但我國過去的研究是以實驗為主的，理論方面的深度還不夠，特別是在紊流理論與邊界層理論方面。近年來由於測試技術提高及計算機的應用，這方面的情況有所改觀，邊界層的數值計算有較大的發展。

紊流邊界層是搞清上述五大問題（課題）的基本理論，因此亦是高速水力學的研究課題之一。

7，泄洪霧化問題

由於泄洪水流與空氣邊界相互作用形成霧化水流

研究方法：

所有上述高速水力學的研究課題，由於其複雜性通常都是通過以下三個途徑進行研究的，即：

理論研究。

試驗研究與原型觀測。

數學模型。

過去，主要是前兩個途徑，近年來才發展了數學模型。目前仍是通過這三個途徑進行研究的。

我國第一部關於高速水力學的專著與教材於1994年由李建中，寧利中兩教授撰寫，西北工業大學出版社出版。