明渠均匀流的摩阻流速及流速分布.pdfVIP

水 利 学 报 2005 年 8 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 8 期 文章编号: 0559-9350(2005)08-0950-06 明渠均匀流的摩阻流速及流速分布 刘春晶，李丹勋，王兴奎 (清华大学 水沙科学教育部重点实验室，北京 100084) 摘要: 在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法(雷 诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等)的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：(1)利用阻力 平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；(2)包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数 据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的 Karman 常数；(3)现有大量明渠均匀流实测资料中，用常 用的Karman常数(κ=0.4)时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。 关键词: 明渠流；流速分布；摩阻流速；试验研究 中图分类号: TV133.1 文献标识码:A 明渠流时均流速的分布规律、紊动特性及阻力规律是水力学研究的基本问题。由于存在着自由水面， 明渠流的理论分析和实验研究比管流及边界层流动更加困难。Keulega[1]将边界层对数流速分布引用到明渠 水流中，开辟了明渠流研究新的阶段。早期的研究认为，对数流速分布可以应用到明渠流的整个水面，如 Einstein and Sammi 的工作[2] 。20 世纪 80 年代以来，随着测量技术的发展，明渠流的研究更为系统和详尽 [3～5] 。Nezu and Rodi[3]利用二维激光仪研究了光滑壁面水槽均匀紊流，认为近壁区的流速分布可以用对数 流速分布描述，但远离床面主流区则与对数流速分布有系统的偏差，这个偏差可以用描述边界层流速分布 的 Cloes 尾流函数表示。王殿常等[6]指出，由于明渠流的理论床面和最大流速位置的不确定性，尾流函数 表示的明渠流速分布与对数流速分布相比没有优越性。摩阻流速反应了明渠流床面切应力的大小，是研究 明渠流运动规律、挟沙规律的关键参数。确定摩阻流速有多种方法，不同方法得到的摩阻流速之间存在着 差异。本文利用激光流速仪测量了光滑壁面明渠均匀流的流速，采用几种不同的方法计算得到了摩阻流速， 并分析了不同的摩阻流速对明渠流速分布的影响。 1 明渠流的流速分布 [7] 同边界层流动 相类似，光滑壁面的明渠流动存在着黏性底层，在黏性底层内的流速呈线性分布，即： + + U =y (1) 式中：U+ + =U/u ，y =yu / ν；u 为摩阻流速；U 为距床面 y 处的流速。 * * * 收稿日期: 2004-09-10 基金项目: 国家自然科学基金资助项目50221903) 作者简介: 刘春晶(1974-)，男，山西河津人，博士生，主要从事明渠流输沙规律研究。 E-mail:wangxk@mail.tsinghua.edu.cn 1 水 利 学 报 2005 年 8 月 SHUILI XUEBAO 第 36 卷 第 8 期 + + 黏性底层存在于 y 5 以内，黏性底层