双向环形水槽流速分布规律试验研究.pdfVIP

泥 沙 研 究 2014年 10月 JournalofSedimentResearch 第 5期 双向环形水槽流速分布规律试验研究 王捷 ，周 晶晶，张长宽 (河海大学 港 口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098) 摘要 ：环形水槽以其能满足细颗粒泥沙沉降所需的距离要求、无流入 口和流 出口的影响已被广泛使用在细颗 粒泥沙运动规律 的研究中。为最大程度地削弱横 向流 ，采用环形槽 、剪力环 同时反 向旋转 ，拟合出剪力环和环 形槽 的最佳转速 比曲线 ，并在清水率定的过程中采用旋浆式流速仪测量不 同水深 、多级转速 下环形水槽 的分 层流速 。试验数据表 明环形水槽 中线处垂线流速分布呈 S型 ，流速在边界处有较大 的梯度 ，在流场 中心 区域 分布较均匀，可用三次函数进行拟合。流速沿槽宽呈线性分布，由外壁向内壁递减 ，使得各断面流速分布相 同，可以模拟无限长直水槽 。 关键词 ：环形水槽 ；流速分布 ；细颗粒泥沙 ；转速 比；二次流 中图分类号 ：TV131．65 文献标识码 ：A 文章编号 ：0468．155X(2014)05-0032-06 流速分布规律是研究水流泥沙运动的基础。水流的内部结构 、能量传递过程及阻力特性等各种动 力要素均与流速分布相关或以流速分布体现 ¨。国内外进行 的探求流速分布规律 的水槽试验研究大 多针对直水槽 ，对环形水槽的研究及规律揭示相对较少。环形水槽作为研究细颗粒泥沙运动特性与污 染物传播规律的较理想设备 ，现已越来越多地被使用在海岸河 口泥沙 的水力特性试验 中 ]，特别是在 泥沙侵蚀 、沉积、输运等方面。国内外对环形水槽的研究主要集中于将其视为一种有效手段 ，进行水沙 运动规律的基础理论研究或与实际工程项 目结合 ，用以指导工程建设 ，而对于环形水槽 内部水流结构的 研究也主要 以数值模拟为主 ，同时结合实测资料 。因此利用水槽实验的大量实测资料 ，系统地探求 环形水槽中的流速分布规律十分必要。本文主要讨论环形水槽中流速的分布规律 ，为利用环形水槽所 进行的泥沙试验研究中现象的解释提供流场理论基础。 1 双 向环形水槽简介 黏性细颗粒泥沙沉降速度很小 ，其沉积达到平衡常常需要数小时 ，直槽因占地面积的限制而无法满 足细颗粒泥沙沉降所需的距离要求 ，环形水槽则可把直槽 的纵 向长度尺度转换为时间尺度 ，即通过延长 实验时间达到稳定沉降的目的；双向环形水槽是在剪力环和环形槽的剪切力和惯性力下形成水流，不需 要设回水系统和消能设施 ，故不会产生直槽研究细颗粒泥沙絮凝问题时水泵搅动破坏絮团等问题 ，也能 避免泥沙损失及水库清淤工作。同时，环形水槽还具有结构简单、操作方便的特点，各种试验条件如水 深 、水流速度、水体含盐度 、含沙量等均可方便地进行调节 。 环形水槽主要 由环形槽 、剪力环和传动系统三部分组成，如图 1所示 。当环形槽转动 (剪力环不 动)时 ，由于相对运动 ，水槽 内形成与环形槽运动方向相反的水流 ，断面上产生表层 向内，底层 向外的副 流 ，因此底部泥沙颗粒随主流方 向沿环形槽外壁运动。当剪力环剪切水面转动 (环形槽不动)时，水槽 收稿 日期 ：2013-10-21 基金项 目：高等学校博士学科点专项科研基金项 目(20110094120020) 作者简介 ：王捷 (1990一)，女，江苏盐城人，硕士研究生 ，主要从事河 口海岸水动力及泥沙运动方向的研究。E-mail：wangdie900915@163．corn 通讯作者 ：周晶晶。E-mail：zjj@hhu．edu．cn 32 内形成 的水流方 向与剪力环运动方 向相 同 ，断面上产 生表 层 向外 ，底层 向内的副流，因此底部泥沙颗粒随主流方 向 沿环形槽 内壁运动。当环形槽和剪力 环 以一定转速 比同 时反向转动时 (形成 的水流方 向与剪力环运动方 向一致 ， 与环形槽运动方向相反)，两者产生的断面副流基本抵消， 环形水槽 中部水流的横向力达到平衡状态 。 因此环形水槽 除了要形成水流之外 ，关键是要采取有 效措施 ，合理调节环形槽与剪力环 的转速 比，最大 限度地 削弱横向流 ，