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光滑壁面明渠摩阻流速研究 陈小芳 河海大学环境科学与工程学院，江苏南京（210098 ） E-mail ：yuhan8210@163.com 摘要：在分析了用Preston 管量测的实验资料基础上，本文探讨了常用计算摩阻流速公式在 均匀流和非均匀流情况下的适用性，并验证了用Preston 管法测量摩阻流速的可靠性，得出 在计算摩阻流速时，用水力半径替代水深结果更准确，其主要是考虑了边壁对水流的影响。 关键词：明渠；Preston 管；摩阻流速；非均匀流 1 引言 河流、渠道中的流动都为明渠水流，明渠水流按其流线是否为相互平行的直线，可以划 分为均匀流和非均匀流。自然界中的明渠水流很少有严格意义上的均匀流，绝大多数为非均 匀流。摩阻流速在明渠流中是一个十分重要的参数。例如：它是决定明渠流中混合系数的主 要因素，可以预测污染物在明渠中的传播速度。它直接或间接的用在许多流动参数的计算上， 如表面摩擦系数 (C = τ/0.5 ρu 2)和Clauser形状参数（G）。许多边界层特性也是用摩阻流 f w * 速来正规化的。目前大多数研究都是针对均匀流的，不过，工程中遇到的大多是非均匀流问 题，非均匀流的水深、能坡等要素与均匀流不同，其摩阻流速有可能与均匀流有一定差异。 因此，笔者在水槽中模拟明渠流进行了几组实验，以验证一般计算摩阻流速的公式在非均匀 流时是否适用，同时，采用了Preston管量测边壁切应力从而计算摩阻流速的方法。 2 摩阻流速的测量方法 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。 [1] 目前实验研究中确定光滑明渠流的摩阻流速有以下几种方法 。 （1 ）测量了黏性底层的流速分布,利用公式 U+ y + 计算摩阻流速。式中， U+ U / u∗ ，y + yu ∗ / υ ，u 为摩阻流速，U为距床面y处的流速。 ∗ 此方法需要精确测量非常接近床面的流速，通常这一距离为0.1mm量级。Poggi[2]用一个 带有光纤传输的激光测速仪倾斜于床面放置，测量了明渠流黏性底层的流速；通常的设备很 难达到这一要求，除非测量水深较大但坡度和流速都比较小的流动。 （2 ）将实测雷诺应力垂线分布延长至床面求得床面切应力，再求得摩阻流速。 水流的切应力包括黏性切应力和紊动切应力。黏性切应力主要作用于近壁流区，对远离 壁面的流动，紊动切应力(即雷诺应力τ =−ρuv )占据了主要部分。方法2利用明渠水流的 ∗b 切应力沿水深呈线性分布的特性，通过测量雷诺应力的分布来计算摩阻流速。尽管雷诺应力 的测量可能存在着误差，方法2仍被认为是相对可靠的[3～4] 。 （3 ）利用实测的流速分布，给定卡门常数值，根据公式 - 1 - 1 + + (1) U ln( y ) +A k 反算摩阻流速。式中，k为卡门常数，A为积分常数。 此法需要给定卡门常数值，通常取k=0.4 ，但各次试验中的k值并不一定准确的等于0.4 。 Raupach and Antonia[5]在综述中提到实际试验的k值在0.35～0.42之间都是合理的；Osterlund 在最近的边