高速水流

高速水流是指因流速較高而出現空化、摻氣、衝擊波、強烈脈動等一種或多種特殊現象的水流。出現高速水流現象的界限流速，隨水流條件、邊界條件以及不同特殊現象等因素而變。

基本介紹

• 中文名：高速水流
• 表達式：σ>σcr
• 套用學科：物理學
• 最高流速：界限流速

空化 　液體內局部壓強降低時，液體中未溶微氣泡（空化核）迅速長大而形成空泡的現象。天然液體中都含有空化核，高速水流可導致液體局部壓降而形成空化。空化狀態可用空化數σ描述，其表達式為：

式中p∞及υ∞分別為來流壓強及流速；ρ為液體密度；pv為相應液體溫度下的飽和蒸汽壓強。臨界狀態時的空化數稱臨界空化數σcr它又可分為初生空化數σi（未空化過渡到出現空化的臨界狀態）及消失空化數σd（已空化過渡到空化消失的臨界狀態)。臨界空化數隨流動的邊界條件等而異。對於平順光潔的邊界，臨界空化數較小。當水流的空化數σ與相應流動邊界的臨界空化數σcr相比較後，即可判明空化是否發生。σ≤σcr，發生空化；σ>σcr，不發生空化。

水流發生空化後,若下遊動水壓強升高,則空化消失，空泡潰滅，並形成極高的衝擊壓強。若空泡在固體邊界附近潰滅,高壓衝擊招致材料的剝蝕損壞,則稱為空蝕。空化還會招致振動、噪聲和機械效率降低等後果。

空化現象於20世紀初最先在船舶螺旋槳中發現，30年代後在高水頭泄水建築物中大量呈現。在設計高水頭泄水建築物時，要注意避免過低的局部壓降而出現空化，可在可能出現的空化區通入空氣以緩衝空泡潰滅時的衝擊，減免對邊界材料的空蝕破壞。

摻氣 　高速明渠水流的水、氣界面附近向水體中自動摻入空氣的現象。摻氣水流為氣、液兩相流，常發生在陡槽及溢流高壩的泄流中。

水流摻氣的成因，主要有表面波破碎而招致摻氣及紊流邊界層發展到水面而形成摻氣等兩種觀點。前者把水流自由表面的摻氣看成是波浪現象。當流速足夠大時，導致水流表面波浪破碎，從而捲入空氣。後者認為水流摻氣是水質點高度紊動的結果。由於水流表面的紊動，使水質點的動能足以克服表面張力而躍離水面；水滴下落時捲入的空氣，又因水流內部的紊動而挾入水面下一定深度。自槽底開始的紊流邊界層發展到水面時，即形成摻氣發生的條件。

摻氣開始發生的判別標準和位置有不同的看法和計算公式，較常用的公式有：

式中l為摻氣發生斷面與陡槽進口斷面之間的距離（m）；h為摻氣發生斷面水深(m);q為單寬流量(m/s)。摻氣水流使水體膨脹,水深加大,因而增加邊牆及隧洞的工程量。但摻氣水流能增進泄水建築物的消能效果，並能減免泄流邊界的空蝕破壞。

脈動 　在紊流中，空間各點的動水壓強、流速等水力要素都具有脈動的特性。對於高速水流，脈動更為強烈。脈動壓強甚至會超過時均壓強。脈動壓強增大了泄流邊界的局部瞬時荷載，提高了對結構物的強度要求。由於脈動壓強值的周期性變化，當水流脈動頻率與建築物的自振頻率相近時，可招致輕型結構(如閘門、拱壩)的振動。脈動壓強的負值使瞬時壓強大為降低，還會增大泄流邊界發生空蝕破壞的可能性。

衝擊波 　明渠急流邊界為非稜柱體（收縮、擴散、偏折、彎曲）時形成的特殊波動。它在縱、橫斷面上呈凹凸起伏，在平面上呈菱形，故又稱菱形波。形成衝擊波後的最大水深隨弗勞德數及邊牆偏折角的加大而增高。衝擊波使明渠水面局部壅高，從而要求邊牆加高；衝擊波使出口水流部分集中，增加消能困難。改善邊界體型或利用正、負擾動波互相干擾抵消的辦法，可以減免衝擊波。