挟沙水流卡门常数的影响因素 Influence factors of the von Karman constant of sediment-laden flows.pdfVIP

泥沙研究 of 2008年6月 JournalSedimentResearch 第3期 挟沙水流卡门常数的影响因素 周宜林1，唐洪武1，闫 静1，许芝国2，郭 琦1 (1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098； 2．长兴县水利局，浙江长兴313100) 摘要：挟沙水流卡门常数是反映泥沙运动对水流结构影响的重要参数之一，本文回顾并讨论了挟沙水流卡门 常数的计算公式及其影响因素。基于影响因素的量纲分析，得到了影响挟沙水流卡门常数的无量纲参数的关 系式，由水槽实验资料确定出卡门常数的计算公式。经有关实验观测资料和长江、黄河实测资料的检验，表明 本文所得公式计算的卡门常数与实验观测资料和野外实测资料的分析值均符合较好。 关键词：卡门常数；挟沙水流；对数流速分布；水流结构；悬移质 中图分类号：TVl42 文献标识码：A 文章编号：0468．155X(2008J03．0051．06 1前言 水流挟带的泥沙影响水流结构，而水流结构的变化影响水流流速分布、含沙量分布和水流挟沙能 力。紊流漩涡自床面附近产生，然后向主流区扩散，由此决定了水流流速分布规律…。水体中泥沙颗粒 的存在将对旋涡的产生和扩散产生影响，从而影响水流流速分布规律和能量消耗，反过来又影响含沙量 分布和水流挟沙能力。研究挟沙水流卡门常数变化规律，不仅是二维水流流速分布、含沙量分布和水流 挟沙能力计算的需要，而且有助于理解挟沙水流的能量传递和消耗，对其变化规律的探讨是泥沙运动力 学的重要的研究内容，具有一定的理论意义和应用价值。 通常明渠恒定均匀二维清水或挟沙水流主流区流速分布，可采用如下对数流速分布公式描述 ￥=吉·n争圮 ，， (1) Ⅱ* 式中：u。、M及u．分别为水面处最大流速、位于)，处的时均流速及水流摩阻流速，y为自河底起算的流 速测点的相应高度，M。=~／加．，，g为重力加速度，h为水深，．，为能坡，Ⅳ为挟沙水流卡门常数，其值不 为常数，而是与挟沙水流特性有关的变量，对于清水，卡门常数以尤。表示，一般取茁。=0．4。 根据式(1)和实验观测或河道实测资料，可以确定挟沙水流卡门常数。在已知摩阻流速和各测点的 流速数值的条件下，在半对数坐标纸上，通过点绘旦与≠的关系点，并拟合出相关直线，定出直线斜率， 其倒数即为挟沙水流的卡门常数；或者通过一元线性回归分析确定挟沙水流的卡门常数。 自从挟沙水流卡门常数被证明不是一个常数以后，有不少学者曾试图建立卡门常数与水流及泥沙 性质间的函数关系。这些研究成果分为：①从泥沙有效悬浮功与水流提供能量之比的变化来描述卡门 常数的变化规律f21；②卡门常数与含沙量梯度的关系¨’；③建立卡门常数与含沙浓度或浑水相对粘滞 系数的关系式H’51；④根据能量平衡理论推导卡门常数的关系式№1；⑤基于影响因素的量纲分析建立的 收藕日期：2006-07．17 基金项目：国家自然科学基金资助项目；新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-04-0494) 作者简介：周宜林(1970一)，男，安徽无为人，副教授，主要从事河流动力学方面的研究。 5l 万方数据 经验公式‘7。。表1列出了一些卡门常数计算公式的研究成果。 表1挟沙水流卡门常数计算公式’ flows Table1 Fo咖ul鹊ofthevonKarmanconstantforsediment-laden *注：E=丝≯兰苗墅，PI和ID分别为泥沙颗粒和水的