18、水利工程中的水流现象与设施解析

水利工程中的水流现象与设施解析

1. 水力跃的类型及特性

水力跃是水流从急流状态过渡到缓流状态时发生的一种局部水力现象,根据弗劳德数 (Fr_1) 的不同,可分为以下几种类型:
| 类型 | 弗劳德数范围 | 特点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 弱跃 | (1 < Fr_1 < 2.5) | 当 (1 < Fr_1 < 1.7) 时,上下游水深 (y_1) 和 (y_2) 近似相等,水面仅形成轻微波纹,能量耗散极少;当 (Fr_1) 接近 1.7 时,水面会形成一些小滚波,但下游水面仍保持平滑,能量损失较低。 |
| 振荡跃 | (2.5 < Fr_1 < 4.5) | 跃首的射流以不规则周期在底部和顶部之间振荡,紊流位置不定,会形成不规则波浪,可能对河岸造成较大破坏,设计消能工应避免此范围。 |
| 稳定跃 | (4.5 < Fr_1 < 9) | 跃在同一位置稳定形成,其位置对下游水流条件最不敏感,跃态平衡,能量耗散显著。 |
| 强跃 | (Fr_1 > 9) | 共轭水深差值大,不规则间隔下,水团会滚入高速射流并产生额外波浪,跃的作用剧烈,耗散率高。 |

能量损失方面,对于水平渠底,水力跃的能量损失 (h_l) 为上下游总水头之差,可表示为:
[h_l = E_1 - E_2 = (y_1 - y_2) + \frac{V_1^2}{2g} - \frac{V_2^2}{2g}]
通过代入 (q = V_1y_1 = V_2y_2) 并进行代数运算,可简化为:
[h_l = \frac{(y_2 - y_1)^3}{4y_1y

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