过渡区动床明渠流的流速分布.pdfVIP

第17卷第1期 水科学进展 V01．17．No．1 2006年1月 ADVANCESINWATERSCIENCE Jan．，2006 过渡区动床明渠流的流速分布 刘春晶，李丹勋，曲兆松，王兴奎 (清华大学水沙科学教育部重点实验室，北京 100084) 摘要：利用激光流速仪测量了随水流强度加大松散床面，从定床到具有一定输沙强度的动床流动，试验水流条件均 处于过渡区。试验资料分析表明，动床过渡区明渠流的卡门常数小于通常所采用的O．4；水流强度逐渐增大，随着 推移质运动量增加，阻力系数有减小再增大的趋势；雷诺应力分布和紊动强度分布规律同光滑明渠流类似。 关键词：明渠流；过渡粗糙区；动床；推移质；流速分布 文献标识码：A 中图分类号：rvl42．2；TVl43．1 文章编号：1001．6791(2006)叭一0049．06 传统的紊流理论认为粗糙壁面的作用在于增加床面阻力，只会对近壁流区造成影响，远离近壁区的紊流结 构同光滑壁面相类似。粗糙度用长度尺度k。来表示，k。与粗糙颗粒的突起高度有关。粗糙尺度较小(k；+5， 面。河流中由于推移质运动形成动床边界。现阶段的研究认为，因推移质移动速度远小于主流区的水流流速， J测量了粗糙区动床流动， 速，结果表明光滑床面和过渡床面的流速都可以用对数流速分布公式表示。Song等L2 指出推移质运动增加了水流阻力，但流速、紊动强度分布与定床流动类似。Gust等L3J的实验表明，过渡区微量 泥沙运动的动床边界会出现阻力系数减少的现象；NikoraHJ关于粗糙区的实验也报道了这种现象，得出有少量 有影响。到目前为止，明渠流中关于动床过渡区的研究资料还很匮乏，在明渠动床过渡区的处理上仍在沿用 速仪测量了动床过渡区的流速，利用试验资料对理论床面位置、流速分布、阻力系数、雷诺应力等问题进行了 分析。 1 试验简介 试验是在一个长20m，宽29．5cm，深40cm的水槽中进行。流速测量段距水槽进水口约12m，保证水流紊 m处设有一跨越水槽全 动能充分发展。所用实验沙为煤渣，容重1．48，中径2．19mm。流速测量断面下游约1 断面宽．约20em长的沉沙孔，沉沙孔下部为有机玻璃制的封闭水箱。试验中的推移质落进置于小水箱内部一 不锈钢筛网制的接沙篮里，该接沙篮悬挂在沉沙孔上方架设的挂钩天平上，通过计算机实时采样天平的读数， cm的方砖，方 可得到落进篮中的沙重变化，进而得到推移质输沙率。沉沙孔下游段水槽铺设了厚度约为2．5 收稿日期：2004．07—23：修订日期：2004—10．30 基金项目：国家自然科学基金资助项目50221903) 作者简介：刘春晶(1974一)，男，山西河津人，清华大学博士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究。 E—mail：liuej00@mails．tsinghua．edu．cn 50 水科学进展 第J7卷 砖表面粘有一层粒径与实验沙相同的白色石英砂，以保证沉沙孑L上下游水流的一致性，并可观察到跃过沉沙孔 的试验沙。沿水槽架设了6个压力传感器测量水深；流量由安装在进水管道上的电磁流量计测量。采用二维激 光流速仪测量水槽中垂线上的流速分布，采样频率约为200Hz。 每组试验开始前在沉沙孔上游水槽中铺设厚度约为2．5am的试验沙，用测车刮板刮平，然后缓慢的往水 槽中注入清水，放置一段时间待试验沙在水中充分沉积后开始试验。测量不同位置水深，线性回归得到水面 线，调整水泵流量和下游水位，直至水面线平行于床底，达到均匀流条件后开始测量流速和输沙率。共进行了 9组不同水力条