水流形态及消能方式

　　1F411023 了解水流形态及消能方式

　　一、水流形态

　　从描述水流的不同角度出发，水流形态主要包括：恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流、层流与紊流。

　　水流形态

　　恒定流 流场中任何空间上所有的运动要素不随时间改变

　　非恒定流 有任何一个运动要素随时间改变

　　均匀流 水流的流线为相互平行的直线

　　非均匀流 不是相互平行的直线

　　渐变流 水流的流线几乎近于平行

　　急变流 流线间夹角很大或流线曲率半径很小

　　层流 水流流速较小各流层液体有条不紊地运动互不混掺

　　紊流 水流的流速较大，形成涡体，相互混掺

　　二、能量转换

　　根据能量守恒原理，恒定水流的能量方程为：

　　能量转换

　　伯努力能量方程

　　(1F411023)

　　位能、压能、动能—可以相互转换—两个断面间能量守衡

　　三、消能方式

　　修建闸、坝等泄水建筑物后，下泄的水流往往具有很高的流速。动能比较大，为了减小对下游河道的冲刷，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

　　如图1F411023-1所示，是利用水跃消能，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。它主要是靠水跃产生的表面旋滚与底部高流速的主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。该法具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，多用于低水头、大流量、地质条件较差的泄水建筑物。但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量较大，工程造价较高。该法对地质条件的要求较低，既适用于坚硬岩基，也适用于较软弱或节理裂隙较为发育的岩基。

　　(二)挑流消能

　　如图lF411023-2所示，是利用溢流坝下游设置挑流坎，把高速水流挑射到下游空中，然后扩散的掺气水流跌落到坝下游河道内，在尾水水深中发生漩涡、冲击、掺搅、紊动、扩散、剪切，以消除能量。但跌落的水流仍将冲刷河床，形成冲刷坑，在冲刷坑中水流继续消能。适用于坚硬岩基上的高、中坝。

　　(三)面流消能

　　如图1F411023-3所示，当下游水深较大且比较稳定时，利用鼻坎将下泄的高速水流的主流挑至下游水面，在主流与河床之间形成巨大的底部旋滚，旋滚流速较低，避免高速水流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散、流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。高流速的主流位于表层。适用于中、低水头工程尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。

　　(四)消力戽消能

　　如图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径和较大挑角所形成的戽斗，在下游尾水淹没挑坎的条件下，形不成自由水舌，高速水流在戽斗内产生激烈的表面旋滚，后经鼻坎将高速的主流挑至水面。并通过戽后的涌浪及底部旋滚而获得较大的消能效果。适用于尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅较小，或有排冰、漂木要求的情况。一般不需要作护坦。

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