25、高速水流中的空气卷入、涵洞水流及流量测量相关知识

高速水流中的空气卷入、涵洞水流及流量测量相关知识

1. 高速水流中的空气卷入

当尾水水位高于下游端的水流深度时，会影响渠道下游部分的水位，可能形成水跃。水跃上游的水位不受尾水水位影响，若进一步提高尾水水位，水跃会向上游移动直至到达上游端，此时进口会被淹没，渠道流量将取决于尾水水位。

在计算具有陡坡底部的渠道水面曲线时，可按以下步骤进行：
1. 利用渠道入口的临界流条件计算流量。
2. 从上游端的临界深度开始，向下游方向计算渠道中的水面曲线。
3. 若尾水水位较高，渠道中可能形成水跃。此时，从下游端指定的水流深度开始，向上游方向计算渠道下部的水面曲线。水跃的位置通过匹配水跃上下游的特定力来确定。
4. 另一种计算水面曲线和水跃位置的方法是求解非恒定流方程。为此，需在边界条件下求解连续性和动量方程，并持续计算直至解收敛到稳定流条件。

空气卷入是指空气进入水体的过程。只有当水流达到一定的湍流程度，且渠道底部的边界层与水面相交时，高速水流中才会发生空气卷入，而慢速水流即使边界层与水面相交也不会卷入空气。“白水”现象不一定意味着空气卷入，可能是不同角度的反射造成的，高速摄影已证实了这一结论。

设计师了解卷入空气的体积很重要，这有助于选择侧壁高度、评估空化可能性，且空气靠近渠道底部和侧壁可减少摩擦损失。

涉及空气卷入的湍流明渠水流可分为四个垂直区域：
1. 上部区域 ：由从混合区喷出的少量飞水颗粒组成，对工程应用不重要。
2. 混合区 ：有随机振幅和频率的表面波，为防止侧壁溢流，需考虑这些波的高度。所有卷入或释放的空气