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。自槽底开始的紊流边界层发展到水面时，即形成掺气发生的条件。

掺气开始发生的判别标准和位置有不同的看法和计算公式，较常用的公式有：

式中l为掺气发生断面与陡槽进口断面之间的距离（m）；h为掺气发生断面水深(m);q为单宽流量(m/s)。掺气水流使水体膨胀,水深加大,因而增加边墙及隧洞的工程量。但掺气水流能增进泄水建筑物的消能效果，并能减免泄流边界的空蚀破坏。

脉动　在紊流中，空间各点的动水压强、流速等水力要素都具有脉动的特性。对于高速水流，脉动更为强烈。脉动压强甚至会超过时均压强。脉动压强增大了泄流边界的局部瞬时荷载，提高了对结构物的强度要求。由于脉动压强值的周期性变化，当水流脉动频率与建筑物的自振频率相近时，可招致轻型结构(如闸门、拱坝)的振动。脉动压强的负值使瞬时压强大为降低，还会增大泄流边界发生空蚀破坏的可能性。

冲击波　明渠急流边界为非棱柱体（收缩、扩散、偏折、弯曲）时形成的特殊波动。它在纵、横断面上呈凹凸起伏，在平面上呈菱形，故又称菱形波。形成冲击波后的最大水深随弗劳德数及边墙偏折角的加大而增高。冲击波使明渠水面局部壅高，从而要求边墙加高；冲击波使出口水流部分集中，增加消能困难。改善边界体型或利用正、负扰动波互相干扰抵消的办法，可以减免冲击波。

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