U型结构中的水体振荡特性

戴 熙 武

(河海大学水利水电学院，南京 210098)

在水利工程中，存在一些类似U形管的水工建筑结构，这些结构共同的特点是在两端具有自由水面，中间由有压管道连接，本文暂且称之为U形结构。例如上游水库、中间引水管以及调压室组成的结构，上、下游双调压室及中间有压管道组成的结构[1]，分段低压输水系统中的输水单元等都是U形结构。我们知道，在反射水击波的时候，调压室中水面会产生振荡，一段时间内，调压室水面在某一静水位线上下振荡，直至由于摩阻损耗使动能不断减小才逐渐恢复平静。同样，在U形结构中，当水体中存在某种扰动时，两端自由液面会交替上升与下降，直至由于摩阻损耗慢慢恢复平静，在这一过程中其水面振荡具有某一相对固定频率。吴持恭推导出了U形管中自由液面振荡频率公式[2]，但其不适用于上、下游管道横面面积与有压管道截面积不等的情况；万五一等在U形管振荡公式基础上推导出了分段低压输水系统中U形结构的振荡频率公式[3-6]，但其精确程度较低，只能作为初步的估计。本文将对U形结构中上、下游管道横截面面积、有压管道截面积、有压管道长度对其振荡频率的影响规律进行研究，这对于U形输水结构中水面振荡及水力共振的研究具有重要意义。

1 基本理论

在盛水的等截面U形管中，由于某种外界扰动左右自由液面产生一定高差，在重力及惯性力作用下，管中水体将来回振荡，并由于摩阻力作用逐渐衰减最终达到平衡。……