扰动对明渠湍流结构及床面稳定性影响的实验研究 Experimental study on influence of disturbance on turbulence structure and stability of erodible riverbed in open channel.pdfVIP

水! ! 利! ! 学! ! 报 ! ##$ 年% 月 ’()*)! ! +(,-./ 第01 卷! 第% 期 文章编号：#2243402# （##$ ）#%3##03#4 扰动对明渠湍流结构及床面稳定性影响的实验研究 白玉川，许栋 （天津大学 建筑工程学院，天津! 0###$ ） 摘要：本文通过在水槽实验中采集的流速过程数据，定量地研究了沙纹阶段明渠水流在不同形式扰动作用下的湍 流结构，以及湍流结构对泥沙运动和床面演化的影响。实验发现，扰动附近水流紊动大大增强，扰动促使局部泥沙 在断面平均流速低于平床起动流速的情况下起动，并促使床面失稳形成沙纹。另外，不同的扰动形式、位置及尺度 对泥沙运动以及床面稳定性的影响各不相同，实验中进行了深入的比较和分析。 关键词：扰动；明渠湍流；床面稳定；沙纹 中图分类号： HI%5 文献标识码：. 明渠湍流结构对研究泥沙运动、污染物扩散以及水工建筑物中的空化、空蚀和掺气等现象有着重要 的意义。然而由于明渠水流受到自由水面和床面的双重影响，湍流结构十分复杂，因此到目前为止，人 们对明渠湍流结构产生机理和分布规律仍然不是非常清楚，有关明渠湍流结构方面的研究仍以实验为 主［% J $ ］。另一方面，河流中的沙波运动对河流所产生影响是直接和深刻的，掌握沙波的运动性质和运动 规律对计算推移质输沙率以及研究河道演变有十分重要的意义。沙纹作为小尺度的沙波形态，具有独 特的运动规律和动力特性，沙纹的形成开始于床面的局部扰动引起的床面失稳［1 J %5 ］，本实验选取沙纹 阶段作为研究的床面形态。 在某一接近但未达到泥沙起动的流速下，在水流中或平整泥沙床面上加入障碍物或局部扰动，将引 起水流的局部变化，导致泥沙局部起动，从而形成局部的沙纹形态。当扰动的尺度和强度较小时，该形 态并不会随时间无限发展下去，而是尺度逐渐衰减，在某一范围内稳定下来，停止发展，此时认为床面是 稳定的；随着扰动的不断增强，扰动所能影响的范围逐步扩大，当达到某一临界值时，局部扰动引起的沙 纹将扩散到整个床面，称为床面失稳，此时认为床面是不稳定的。本文通过流速测量的方法研究明渠水 流在扰动作用下的湍流特性，分析其对床面的影响，进而定性地研究不同扰动下的床面形态变化过程与 稳定形态，分析床面的失稳现象及失稳特征。 %! 实验设备与测量技术 实验在天津大学水利馆西厅可变坡降自循环玻璃水槽中进行，水槽长 %08 ，宽6#=8 ，最大水深 6#=8 ，坡降调节范围为K 0L ，流量可进行无级调节，最大断面平均流速可达8M N 。在实验进口段设有 稳流格栅，出口段设有旋流沉沙池，以回收实验中水流携带的泥沙。实验前在水槽中砌一高2=8 O 长 8 的沙纹实验段，放入泥沙，铺平，水深保持在#=8 ，整个实验装置如图%。流速利用声学多普勒流速 仪（.PI ）测量，采样频率为2#’Q 。 收稿日期：##23#43$ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（2#$4#0# ，5#0$6#1 ） 作者简介：白玉川（%46$ 7 ），男，山西人，教授，主要从事泥沙运动理论、工程非线性力学及河口海岸动力学研究。 ,389:; ：=?9:@ ABCD EFCD =G 万方数据 — 0 — 实验用沙为粒径! #$$ 的均匀沙，密度为% ’!() * $# ，从河沙中筛选获得。在实验水深下，观测其 平床起动流速为!平 + %,-$ * . 。 图/0 实验装置 实验中扰动加入的形式共分三种情况，第一为水流中加入二维扰动，即二维水流扰动；第二为床面 上加入二维扰动，即二维床面扰动；第三为床面上加入不同尺度的三维扰动，即三维床面扰动。扰动布 置详细情况见图% 、图//、图/1。 %0 二维水流扰动对湍流结构及床面稳定性影响的实验研究 在水流中水平放入一根与水槽壁垂直的圆管，直径%2 %-$ ，圆管通过加入弹性支撑悬停在床面上 方，圆管中心距床面’2 /-$ 。根据水流变