Energy Dissipators and Hydraulic Jump pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Hager, Willi H.

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:1992-2

价格:$ 247.47

装帧:

isbn号码:9780792315087

丛书系列:

图书标签:

• 水力学
• 消能器
• 液跳
• 水工结构
• 流体力学
• 水利工程
• 能量耗散
• 水动力学
• 坝工
• 河道工程

沉浸式水道设计：理解、预测与优化 水，作为生命之源，其力量和潜能贯穿于人类文明的始终。从古老的灌溉系统到现代的水力发电站，再到庞大的防洪工程，我们对水的驾驭和利用，无不体现着我们对水力学深刻的理解。在众多的水力学现象中，水跃（Hydraulic Jump）无疑是其中最为引人注目且极具工程挑战性的一个。它并非一场简单的水流变化，而是一场能量的剧烈释放与耗散，一个涉及复杂湍流、压力波动与动量交换的动态过程。理解和有效管理水跃，对于确保水利工程的安全、稳定运行，以及提升水资源利用效率至关重要。 本文将深入探讨水跃的物理机制，揭示其发生的条件、形态以及对周围环境可能产生的影响。我们不仅仅停留在理论的层面，更将着眼于实际工程应用中的挑战与机遇。我们将剖析各种类型的能量耗散装置（Energy Dissipators）在水跃控制中的作用，它们如何巧妙地利用或引导水跃的能量，将其转化为无害的热量或动能衰减，从而保护下游结构免受侵蚀，减少水体振动，并为下游水流创造更稳定的条件。 一、水跃的奥秘：一个能量剧变的瞬间 水跃，顾名思义，是水流由超临界状态（Froude数Fr > 1）突变为亚临界状态（Froude数Fr < 1）时，在短距离内发生剧烈紊乱、能量耗散的现象。这一过程伴随着水面抬升、泡沫翻腾、强烈湍流和显著的声响。理解水跃，首先要理解其发生的根本原因——能量的守恒与耗散。 在水流中，总能量可以分解为势能、动能和压力能。当水流从高处流下，或在渠道局部收缩时，流速增加，动能增大，而水位下降，势能减小。在这种状态下，水流处于超临界状态，其特性是流速大、水深小，且对下游水位变化非常敏感。然而，这种高速、高能量的状态往往无法在自然状态下长期维持。当水流遇到下游水位升高、渠道阻碍或进入能量耗散区域时，其能量需要得到释放。 水跃正是这种能量释放的集中体现。在这个过渡区域，流体动量守恒是基本原则，但能量却不再守恒。大量的动能通过湍流剪切、旋涡运动以及与空气的掺混，转化为热能和声能，从而实现能量的有效耗散。水跃的发生需要满足一定的条件，其中最关键的便是上游水流的Froude数必须大于1。Froude数（Fr）是描述流体惯性力与重力力之比的无量纲参数，在水力学中，它反映了流速与波速之比。Fr > 1意味着流速大于重力波的传播速度，此时水流具有“强制性”特征，其状态不受下游水位变化的影响。当Fr ≤ 1时，水流进入亚临界状态，流速减小，水深增大，表现出“自由性”特征，其状态会受到下游水位的制约。 水跃的形态多种多样，取决于上游的Froude数、渠道的形状以及是否存在阻碍物。从几乎无法察觉的微弱扰动，到剧烈翻腾的宏大景象，不同的水跃形态对应着不同的能量耗散效率。例如，在较低的Froude数下，水跃可能表现为轻微的波浪起伏；随着Froude数的增加，水跃会变得更加明显，形成一个清晰的“跃升”区域，并伴有大量的气泡和噪声；在极高的Froude数下，水跃甚至会形成回流区和强大的冲击波。 二、能量耗散的艺术：守护下游的屏障 水跃的剧烈能量释放，如果直接作用于下游河床或水工建筑物，可能会导致严重的冲刷、侵蚀和结构损坏。因此，在许多水力工程中，设计和建造有效的能量耗散装置（Energy Dissipators）是必不可少的环节。能量耗散装置的根本目的，就是在水流到达关键区域之前，将其过剩的能量以一种可控的方式“消耗”掉，从而保护下游结构，维持工程的长期稳定运行。 能量耗散装置的设计，往往需要针对特定的水跃类型和工程条件进行优化。其核心思想可以归纳为以下几个方面： 1. 强制触发与引导水跃： 在某些情况下，工程师会主动设计装置来强制水流发生水跃，并将水跃控制在特定的区域。例如，在溢洪道的末端，常常会设置消力池（Stilling Basin），通过改变底板的高程、设置各种形式的挡块（Baffle Piers）、滚子（Roller-Fluorings）或扩散段（Sills），来增强水流的紊乱程度，促使水流在消力池内发生水跃，并在此过程中将大部分动能耗散掉，使流出消力池的水流处于稳定的亚临界状态。 2. 增加流体阻力与湍流： 许多能量耗散装置通过增加流体的阻力来消耗能量。例如，粗糙的河床、散布的石块或专门设计的障碍物，都能增加水流的摩擦和湍流程度，从而减缓水流速度，增加能量耗散。在一些天然水道中，利用河床的自然地形和岩石，进行适当的修整，也可以达到一定的能量耗散效果。 3. 形成反向流动与旋涡： 一些精巧的能量耗散设计，能够巧妙地利用流体动力学原理，制造反向流动或强大的旋涡。这些反向流动和旋涡可以有效地将主流的水流“搅拌”起来，增加其与空气的接触，加速能量的转化和耗散。例如，某些类型的消力坎（Baffle Blocks）就能够有效地形成强大的旋涡，将水跃的能量分散开来。 4. 利用空气掺混： 水跃过程中，大量的空气被卷入水中，形成泡沫。空气的卷入和释放，本身就是一个消耗能量的过程。一些能量耗散装置的设计，会鼓励或加强空气的掺混，从而提高能量耗散的效率。 三、工程实践中的挑战与创新 水跃现象及其能量耗散装置的设计，并非仅仅是理论计算的产物，更是一个需要结合实际工程经验、现场勘测和精细模型试验的复杂过程。在工程实践中，我们面临着诸多挑战： 不确定性与复杂性： 水流的真实行为往往比理论模型更为复杂。地形的微小变化、材料的老化、水流的瞬时波动，都可能对水跃的发生和能量耗散效果产生影响。精确预测水跃的范围、强度以及能量耗散的效率，是一项艰巨的任务。 材料与结构的耐久性： 能量耗散装置需要承受巨大的冲击力和持续的磨损。材料的选择、结构的稳定性以及施工的质量，都直接关系到装置的寿命和工程的安全性。 环境影响的考量： 能量耗散装置的设计，还需要充分考虑对周边环境的影响，例如对水生生物栖息地的影响、对泥沙输移的影响以及可能产生的噪声污染等。 经济效益与最优解的权衡： 在保证工程安全的前提下，如何在经济成本与能量耗散效率之间取得平衡，选择最优的解决方案，是工程师需要不断权衡的问题。 面对这些挑战，水力工程领域的研究人员和工程师们不断探索创新。从传统的消力池、挡块设计，到现代的数值模拟技术、仿生学设计，再到对新型材料和智能控制系统的应用，能量耗散技术正朝着更高效、更环保、更智能的方向发展。 例如，利用计算流体动力学（CFD）技术，我们可以精确模拟水跃过程，预测不同设计方案下的能量耗散效果，从而大大缩短模型试验的时间和成本。仿生学的应用，则可以从自然界中汲取灵感，例如模仿鱼类在水中的运动方式，设计出更具效率的能量耗散结构。 结语 水跃，这一看似短暂而剧烈的流体力学现象，蕴含着深刻的能量转化规律。而能量耗散装置，则是人类智慧与自然力量巧妙结合的产物，它们是守护水利工程安全、提升水资源利用效率的关键环节。理解水跃的本质，掌握能量耗散的艺术，并在工程实践中不断创新，是每一位致力于水力工程领域工作者的不懈追求。通过深入研究和实践，我们能够更好地驾驭水的力量，实现人与自然的和谐共存，为可持续发展贡献力量。

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