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我国首部《高速水力学》简介

已有 1533 次阅读 2020-11-18 09:22 |个人分类:科研漫谈|系统分类:博客资讯

我国首部《高速水力学》简介

   上个世纪90年代李建中教授和我在西北工业大学出版社出版了《高速水力学》专著,《高速水力学》为国内研究高速水流的首部专著,被四川大学国家高速水力学实验室、武汉大学、天津大学、中国水科院、广西大学、西安理工大学作为研究生教材或考研指定教材。到目前为止,还没有新的关于《高速水力学》的教材或者专著出版。几年前,计划将这部专著修订后再版,由于精力有限,修改的进展缓慢。现为了纪念首部《高速水力学》专著的出版27周年,将1993年版《高速水力学》的前言和概要发表于下。


                前  

随着高坝建设的增多,高速水力学问题日益突出。据统计,全世界已建100m以上的高坝有400余座。我国已建和在建的有31座。这些高坝枢纽泄水工程中的水流流速在50m/s左右或更高。这样大的水流流速会产生一些特殊的水流现象,如掺气、脉动、振动、空化、空蚀、冲刷、磨损、雾化等。这些特殊水流现象是一般水力学解决不了的,也难以用物理模型做到与原型流动完全相似的模型试验。这就对解决工程实际问题带来很大困难,引起了许多水利水电工作者的极大关注,国内外不少学者对此进行了大量研究,经过半个多世纪的发展,已经成了一门专门研究高速水流特殊水力学问题的新的水力学学科分支――高速水力学。

直至目前还没有系统阐述高速水力学的著作,本书是个尝试。

本书的内容共有六大部分,即第二章至第七章。第二章主要介绍研究高速水力学问题而需要的基础知识――明流边界层理论。第三章至第七章分别介绍高速水流脉动、水流掺气、空化空蚀、急流控制、新型消能等高速水流的主要知识。

本书在撰写中除介绍一些高速水力学的基本知识外,还概括了80年代以来的最新研究成果,并指出了目前存在的问题与研究趋势。本书也是作者今年来对研究生教学讲义的总结与提高,是目前国内高速水力学问题的唯一著作。

本书第一章至第五章由李建中撰写,第六、第七章由宁利中撰写。

本书可以作为水利、土建类有关学科的研究生教材,也可作为水利水电工程建筑专业等本科生的选修教材,还可供进行科学研究与工程设计的水利水电科技工作者参考。                                                                                                     

                                        199311月于西安

 

第一章

§11 高速水力学的定义

大家知道,水力学是研究液体运动规律及其应用的科学。高速水力学是研究水流在高速流动情况下的运动规律及应用这些规律解决工程实际问题的科学。即是说高速水力学包括两大部分内容:一部分是水流高速运动规律的研究;另一部分是应用这些规律解决工程实际问题研究。

什么叫“高速”,多大的速度属于高速的范畴,这一点到目前为止还没有严格的数字界限。过去有人说7~8m/s以上的速度就属高速了,因为当明槽水流达到这个速度时,水流就开始掺气了。但也有人说5m/s以上的流速就为高速,因为水流达到5m/s的速度时,其脉动与紊动已较强烈,局部地区已开始掺气。还有人说,明槽急流就是高速水流,因为急流会发生一些特殊的水流现象,如冲击波等。

根据近30多年来对高速水力学的研究与认识,看来20m/s以下的流速,虽然有掺气、空化、脉动、冲击波等高速水力学问题,但不是很严重,对确定水工建筑物的体型影响不大,所以一般可不作为高速水力学问题处理,按一般水力学问题计算就可以了,而把流速达到20~50m/s的水流作为高速水力学研究的主要范畴。也就是说,高度水力学主要指研究流速为20~50m/s的水流的运动规律的学科。

§12 高速水力学问题的提出与发展

高速水力学问题是随高水头泄水建筑物的出现而出现的,是高坝建设的关键技术之一。世界各国对此都很重视,我国近30年来已建成许多高坝,据统计,我国已建和在建的100m以上的高坝已达31座,最高的是1988年完建的龙羊峡重力拱坝,坝高达178m,居世界重力拱坝的第6位。还有大量的高坝正在规划、勘测、设计或施工中,正如建的二滩水电站,最大坝高达240m居世界双曲拱坝第3位。设计中的龙滩(坝高210m),拉西瓦(坝高252m),小湾(坝高290m),锦屏一记(坝高300m)等工程的坝高都在200m以上,这些高坝建设中的高速水力学问题难度之大,是世界所罕见的,急待我们去研究和解决。

我国高速水力学问题研究是从50年代后期开始的,由于第一个五年计划的成功,已完建了的大坝,最高的已达84m(梅山水库连拱坝),当时正在执行中的第二个五年计划已规划了不少的高水头水电站,并且提出了兴建长江三峡水利枢纽的问题。为此全国组织了“研究三峡高速水流问题”的大协作,西安理工大学水电学院也是参加单位之一。现在该校高速水流实验室,就是从那时筹建的。当时高速水力学研究与发展很快,为了交流经验先后于1960年及1965年召开了两次全国高速水力学学术讨论会,总结与促进了高速水力学的研究。《高速水流论文译丛》就是在这个时期出版的,这本译丛收集了1958年以前世界各国关于高速水力学研究的主要成果,是一本很有参考价值的书。

60年代我国的高坝建设已突破100m,如1960年完成的三门峡水电站,坝高106m1968年完建的刘家峡水电站,重力坝坝高147m70年代,乌江渡水电站的拱形重力坝(坝高165m)开始修建,刘家峡泄洪洞发生空蚀破坏等又一次促进了我国的高速水力学研究,于1977年成立了全国高速水流科学研究协作组,协调并促进高速水力学研究的进展,协作组在完成了它的历史使命后,于1982年改组为现在的高速水流情报网。协作组存在的5年间,召开了三次高速水力学科研报告会并出版了《高速水流译文集》,这是我国出版的第二本介绍国外高速水力学研究现状的好书。

1982年成立的高速水流情报网,积极开展了活动,已召开了三次全网大会,出版了《高速水流》杂志及,《高速水流研究通讯》以及第三本译文集――《高速水流译文选集》与《中国泄水工程高速水流实验设备和仪器》等书。

进入80年代以来,由于学会的恢复与发展,学术活动更加活跃,于191年中国水利学会在宜昌成立了水力学专业委员会,每两年都要召开一次全国性的水力学学术讨论会,其主要内容是高速水力学。该会还与国际水利学研究协会(IAHR)于198811月在北京联合召开了“国际高坝水力学会议”,将我国近年来的研究成果,与世界各国进行了交流。

中国水力发电工程学会也于1986年成立了水工水力学专业委员会,为推动我国水电建设中高速水力学的研究做出了贡献。

由于我国还有大量的水力资源有待开发,据统计我国河流可开发的装机容量为3.78×108kW,而到1988年我国已开发的仅为0.33×108kW,即为可开发的1/10。所以还有大量的高坝等待着我们去修建,高速水力学的研究将会有一个大的发展,其前景极其广阔。

在发达的国家中,由于水力资源开发程度较高,较好的坝址基本上都已建成电站,从70年代以来,这些国家中的水力工程师主要是为亚、非、拉地区承包工程,所以他们现在对于高坝水力学的研究,投入的人力少,成果亦少,而我国由于经济发展的需要,这方面研究投入的人力多,成果亦多,目前我国这方面的研究已达到了国际水平。

国际上进行水力学研究组织有:

1)国际水利学研究协会IAHR1937年成立,距今已有50多年的历史,现在的协会秘书处在荷兰Delft。出版有会刊――Journal of Hydraulic Research(JHR),每两年举行一次学术讨论会。它下设环境流体力学与水资源,实验流体力学和数学流体力学,工业流体力学和水工建筑物流体力学等三个技术学部,每个学部还下设一些技术学组,各大洲及地区都有分会,亚太地区分会(APDIAHR)第七次会议于199011月在我国北京举行。

2)国际大坝委员会(ICOLD)成立于1928年,每3年举行一次学术报告会,每次会议讨论4个专题,70年代以来的每届大会上,都列入了水力学的专题,例如:

11届大会(1973年),施工期和完建后泄洪与消能(41专题)。

12届大会(1976年),环境因素对坝和水库的影响(47专题)。

13届大会(1979年),大流量的泄水孔和溢洪道(50专题)。

14届大会(1982年),水库淤积,岸坡稳定及其技术和环境的影响(54专题),这届大会前,主办国巴西召开了“峡谷枢纽布置及泄洪消能国际学术讨论会”。

15届大会(19856月,瑞士洛桑),为保障大坝安全的加固工作(泄洪能力扩大,50专题)。

16届(19886月,美国,旧金山),设计洪水和运行期防洪(溢洪道及底孔的选择,修理时溢洪道及底孔的运行,63专题)。

17届(19916月,奥地利,维也纳),土石坝和土石坝围堰技术新进展(漫顶和坝体过水的保护设计,窄峡河谷中土石坝的特殊问题,67专题)。

§13 高速水力学的研究课题

一般来说,高速水力学包括以下六个研究课题:

1、水流脉动与水工建筑物的振动

人们发现水流在运动中有脉动现象是本世纪30年代的事,距今只有70年。我国在50年代开始研究,特别是在50年代后期这方面的研究有较大的发展,后因观测手段跟不上,数据理论与分析手段落后,很长一段时间进展不大。到80年,由于实验与测试技术的改进,数据处理分析中计算机的应用,水流脉动的研究有了更多的进展与提高。

研究脉动的基础应是紊流理论,近年来借助随机理论推动了这个课题的发展。

国内外都对这个课题的研究非常重视,但这个课题能否有进展,主要与观测及分析技术有关,与紊流理论的发展和应用有关。

2、掺气水流

高水头泄水建筑物中的水流,由于水头高,流速大,在一定条件下会掺入大量空气,形成掺气水流。掺气水流是高速水力学中发现最早的一种现象,本世纪20年代就已经开始了室内外研究,但主要研究的是自掺气水流,本世纪60年代以来人们的注意力,更着眼于强迫掺气水流,利用掺气减免空蚀推动了强迫掺气水流的研究。

3、空化与空蚀

空化与空蚀最早是在航海界发现的,到本世纪30年代才在水工建筑物上发现。由于与水流运动接触的固壁上都可能有空化与空蚀,所以这个课题的研究人力多,领域广,成果也多。

水工建筑物的空化与空蚀,从30年代开始,很长时间内侧重于过水建筑物合理体型的设计,抗空蚀材料的研究以及在施工中控制不平整度。但问题一直未得到解决,到60年代美国首先用掺气减蚀获得成功,以后不少国家都相继采用,效果良好。我国从70年代开始在工程中采用掺气减蚀措施。

我国减免空蚀的研究,在70年代有较大的发展,很多研究单位相继建设了研究设备。这方面的研究能否取得进展主要与空化研究设备、测试技术、空化机理有关,对我国还应研究含沙水流对空化的影响。

4、泄水建筑物的消能防冲

我国的水利水电建设工程主要是两大类,一类是高水头、大流量,窄峡河谷的大中型工程,另一类是面广量大的中小型工程。两类工程中都有不同的高速水力学问题,特别是消能防冲问题在两类工程中普遍的存在着。

近年来我国已突破了传统的底、面、挑三种消能方式,而大量的采用了落水点前后错开,挑坎高程不同的大差动泄洪,各种异形挑坎,窄缝挑坎等收缩式的新型消能工还有掺气分流墩,宽尾墩等辅助消能工及其多者结合的综合消能措施,解决了我国许多布置复杂,地形地质条件不利的工程的消能与防冲问题。例如东江、龙羊峡水电站的消能工使下游冲刷减小40%,宽尾墩,掺气分流墩的出现给深尾水,低佛氏数的泄洪消能防冲工程带来了广阔的前景,安康、五强溪等工程采用宽尾墩后,使消力池长度缩短了1/3~1/2.

5、明槽急流控制的研究

在不少大、中型水利枢纽工程中,岸边溢洪道是主要的泄水建筑物,为利用其地形,往往溢洪道有转弯,变底坡断面的收缩与扩大等情况。溢洪道或明流泄洪洞中的水流一般为急流,遇到上述情况,将产生冲击波等问题,对溢洪道及泄洪洞的正常运用是不利的所以人们一直在想法对急流进行控制,对急流怎么控制,需要采取哪些措施,这也是高速水力学研究的课题之一。

6、泄水建筑物紊流边界层的研究

我国对泄水建筑物紊流边界层的研究,在国际上可以说是领先的,但我国过去的研究是以实验为主的,理论方面的深度还不够,特别是在紊流理论与边界层理论方面。近年来由于测试技术提高及计算机的应用,这方面的情况有所改观,边界层的数值计算有较大的发展。

紊流边界层是搞清上述五大问题(课题)的基本理论,因此亦是高速水力学的研究课题之一。

7,泄洪雾化问题

 由于泄洪水流与空气边界相互作用形成雾化水流

所有上述高速水力学的研究课题,由于其复杂性通常都是通过以下三个途径进行研究的,即:

A. 理论研究。

B. 试验研究与原型观测。

C. 数学模型。

过去,主要是前两个途径,近年来才发展了数学模型。目前仍是通过这三个途径进行研究的。

高速水力学的这些课题,目前的研究成果很多,我们这本书要讲的,主要是那些比较成熟的一些理论研究成果、试验研究与原型观测以及数值模拟成果。大量的其他成果与资料,有待学习者自己阅读。

本节讲这些课题的目的,是为了开阔眼界,了解高速水力学的重要性,以引起学生学习与研究的兴趣。

 

§14 高速水流的特点

1)高速水流的各种作用中,常常是惯性力起主导作用,而粘滞力的作用往往较小。因此试验研究时往往是用重力相似准则,但对掺气、空化等问题还有其特殊相似准则。

2)在高速水流的情况下,边壁与水流的相互作用比较明显,并且发生了质的变化,例如在边壁上的脉动作用增加,有固壁振动与空蚀等问题。

3)高速水流可变为二相流动或三相流动,例如,掺气水流与空化流动都是水、气二相流,含沙掺气水流则属于三相流问题。在多相流情况下,水流的连续性遭到破坏,不再符合一般均质连续的假定条件,而具有本身特殊的运动规律。

4)明槽中的高速水流,受边界变化的影响,将出现冲击波等特殊现象。




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