卵礫石床面時(shí)均流速分布的試驗(yàn)研究.docx

1、第39卷第2期四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)Vol.39No.22007年3月JOURNALOFSICHUANUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)Mar.2007文章編號(hào)：1009-3087(2007)02-0014-06卵礫石床面時(shí)均流速分布的試驗(yàn)研究王協(xié)康，楊青遠(yuǎn)，王憲業(yè)，劉興年(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家柬點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065)摘要：單一明渠水流由于邊壁和自由水面的影響，主流區(qū)內(nèi)時(shí)均流速沿垂線方向的分布存在多種形式。本試驗(yàn)借用聲速多普勒流速儀(Sontec-ADV),測試了不同卵礫石床沙組合條件下的床面時(shí)均流速結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)表明：垂線流速

2、分布主要受床面槌度WK,和水流流態(tài)的雙畫影響，佛汝德數(shù)和相對(duì)糙度在一定程度上決定了其歸屬于單一對(duì)數(shù)分布還是S形曲線分布，而S型曲線的轉(zhuǎn)披位置Z/H值與相對(duì)糙度R/K,具有較好的相關(guān)性。關(guān)鍵詞:流速分布;相對(duì)槌度;佛汝德數(shù);卵礫石床面中圖分類號(hào):TV143文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)媽:ATheVelocityProfileinGravelOpenChannelFlowWANGXie-kang,YANGQing-yuan,WANGXian-ye,LIUXing-nian(StateKeyLab.ofHydraulicsandMountainRiverEng.,SichuanUniv.,Chengdu610065,C

3、hina)Abstract:Themeanvelocityprofilesingravelopenchannelflowwerestudiedbyaseriesofflumeexperiments.VelocitymeasurementswerecarriedoutingravelbedsusinganAcousticDopplerVelocimeter.Theanalysisofvelocityprofileandflowcharacteristicssuchasfroudenumberandrelativeroughness(R/K,theratioofhydraulicradiusand

4、bedroughnessKtwhichisdefinedbythebedmaterialdiameterdx)werecalculated.Theresultsshowedthatthemeanvelocityprofilemainlydependsonfroudenumberandrelativeroughness.HieLog-lawcurvecouldbeusedtofitthemeanvelocityprofilewiththefroudenumberFr<0.41,andtheS-curvecouldbeusedtodescribethevelocityprofilewith2

5、.0<R/Kt<5.9,andthetransitionallocationcouldbewellfittedbymeansofthestatisticrelationshipbetweenrelativedepth(Z/H)andR/Kt.Keywords：velocityprofile；relativeroughness；Froudenumber；acousticdopplervelocimeter在明渠流動(dòng)中，經(jīng)常需要給出主流區(qū)內(nèi)時(shí)均流速沿垂線方向的分布。在大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，人們對(duì)明渠的垂線流速分布曾總結(jié)過不少純收稿日期：2006-2-20金項(xiàng)目：武漢大學(xué)水資源與水

6、電工程科學(xué)國家歌點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（2004B013）；國家自然科學(xué)基金費(fèi)助項(xiàng)目（50409012；50579041）；作者簡介:王協(xié)康（1970-）.男,研究員.研究方向:水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué).經(jīng)驗(yàn)公式,較常見的主要有拋物線型、指數(shù)型和對(duì)數(shù)流速型;依據(jù)光滑床面完全發(fā)展湍流的壁面定律,Keulegan提出在明渠流動(dòng)中可以假定對(duì)數(shù)流速分布沿全水深分布，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)分壁面水力光滑及水力粗糙所對(duì)應(yīng)的二維明渠水流對(duì)數(shù)型公式。Ein-stei采用校正系數(shù)方法（即水力光滑區(qū)、水力粗糙區(qū)取不同值），使Keulegan的兩個(gè)公式得以統(tǒng)一。Coles曾引出尾流強(qiáng)度參數(shù)，給出了尾流函數(shù)來模擬對(duì)數(shù)分布的偏差。N

7、ezuandRodi利用二維激(a)流速測缺儀光儀研究了光滑壁面水槽均勻紊流，成果表明對(duì)數(shù)律僅適用于H<0.2，而其它區(qū)域則用Cloes尾流函數(shù)得到較好的模擬。Kirkgo5依據(jù)實(shí)測流速資料，得到了經(jīng)Coles尾流函數(shù)修正的對(duì)數(shù)分布表達(dá)式，并取為0.1。不過Cardosoctal認(rèn)為明渠流動(dòng)可能受二次流、上游來流等的影響，從而不存在普遍意義的尾流函數(shù)。但劉春晶等基于恒定流實(shí)驗(yàn)資料，認(rèn)為對(duì)數(shù)-尾流公式比單一對(duì)數(shù)公式可以較好的擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(b)實(shí)驗(yàn)水槽當(dāng)前隨著山區(qū)水利資源的進(jìn)一步開發(fā),對(duì)于山區(qū)特有的卵礫石河道水流特征及其泥沙運(yùn)動(dòng)的研究日益顯得極為重要,尤其是寬級(jí)配卵礫石泥沙，由于水流對(duì)河床

8、泥沙的分選作用，突出了粗顆粒對(duì)細(xì)顆粒的隱蔽和細(xì)顆粒對(duì)粗顆粒的暴露作用，由此引起的床面微地貌和近底水流特性的改變，使得泥沙起動(dòng)輸移規(guī)律呈現(xiàn)極其復(fù)雜的特點(diǎn)。Nadcn幻和RichanJs。認(rèn)為天然河道水流紊動(dòng)、推移質(zhì)起動(dòng)輸移和床面微地貌之間存在著明顯的反饋關(guān)系。Clifford以實(shí)驗(yàn)資料說明了床面微地貌改變將會(huì)引起近底水流的變化。圖1實(shí)驗(yàn)水槽與流速測量儀(Sontec-ADV)Fig.1PhotosofexperimentalflumeandSontec-ADV(a)俯視圖DeSerrcs等【認(rèn)為，充分認(rèn)識(shí)近底水流紊動(dòng)與床面微地貌的關(guān)系更有利于理解推移質(zhì)的脈動(dòng)。MarkUwlcss等網(wǎng)以水槽試驗(yàn)，

9、對(duì)卵石顆粒在床面的聚集與近底水流結(jié)構(gòu)的相互演化過程進(jìn)行了研究。VitoFerro1141通過在粗糙床面黏附粗顆粒泥沙,得到了主流區(qū)流速分布的S型曲線。王協(xié)康等在卵礫石粗化試驗(yàn)過程，也得到了S型流速分布，但其判別條件并沒有作出深入說明。由分析可知，床面不同形態(tài)及其組成對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響極為復(fù)雜，時(shí)均流速的具體結(jié)構(gòu)形式需進(jìn)一步研究。(b)側(cè)視圖圖2試驗(yàn)測試布置Fig.2Statusofmonitoringlocationinflume基于水槽試驗(yàn)，著重研究不同卵礫石床沙組成條件，在其達(dá)到臨界起動(dòng)條件時(shí)的近底水流演化特征，以此探討水流分布特征與水沙條件的內(nèi)在關(guān)系。1試驗(yàn)概況試驗(yàn)是在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河

10、流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長H.5m、寬0.60m、深0.80m的平底水槽中進(jìn)行。試驗(yàn)水槽及測速設(shè)備見圖lo本次試驗(yàn)共有17組，測試斷面及垂線布置見圖2,各組水沙條件見表1。16四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）第39卷表1試驗(yàn)水沙條件及第數(shù)分析Tab.1Resultsandexperimentalconditionsofflowandsediment紐次床沙/mm分析斷面水槽斷面H/ctnQ/(ls-i)F/(cms*1)R/cmK,/mmFrR/K,J無M011*50.283.33618.970.16無snunl無M022*50.183.33518.960.16無S無M012*29.384.2591

11、4.940.35無sKunz無M026，29.384.26014.940.35無s2M01I*42.074.93717.6720.1887.5無sKunJ2M022*42.074.93717.6720.1887.5無sDA5M01r37.084.94716.7250.2533.1無stvun45M022*37.084.94716.7250.2533.1無s5M012，24.578.16513.5950.4227.0無sRun55M024*24.778.16413.6550.4127.1無s10M011*30.771.75815.30100.3315.2無sKunb10M022*30.771.7

12、5815.30100.3315.2無s20M012,31.061.24315.37200.257.6無sRun720M024，31.061.24315.37200.257.6無sno20M012*17.977.210111.M200.765.6無sRun820M023*17.277.210211.00200.795.5無s10M012*17.471.79611.08100.7311.0sRun910M014*18.171.78611.36100.6511.3sRunlO10M012*16.777.610110.79100.7910.7s10M023*17.177.610010.96100.77

13、10.9sRunll10M012*18.076.910311.32100.7811.3s10M024,18.076.910211.32100.7711.3sRunl220M012,28.672.35814.76200.357.3s20M026,29.072.35814.87200.347.4sRunl320M012*18.476.89611.48200.715.7s20M024*19.576.89511.90200.695.9sRunl420-60M0I4*45.883.38718.31400.414.5s20-60M026*44.483.39518.08400.464.5sRunl540-8

14、0M014*19.785.68711.97600.632.0s40-80M026，20.885.68712.37600.612.1sRunl640-80M014*22.885.48513.05600.572.2s40-80M026，25.385.48513.83600.542.3s40-80M002*21.881.59012.71600.622.1sRunl740>80M014*20.881.59012.37600.632.1s40-80M026*20.581.59012.30600.632.1s試驗(yàn)測試段在水槽中段,有效試驗(yàn)段長4m,測試段各斷面及垂線位置為:起始段上游0.3m（1，斷

15、面），下游0.2m（2,斷面）,0.4m（3,斷面）,0.6m（4,斷面）,0.8m（5,斷面）,1.0m（6,斷面），1.2m（7,斷面）和1.4m（8,斷面），每個(gè)斷面有5條垂線,分別距離槽壁10cm（1,垂線），20cm（2,垂線）,30cm（3,垂線）,40cm（4,垂線）,50cm（5垂線）。試驗(yàn)中每組試驗(yàn)鋪沙厚度均大于15cm,為了滿足大顆粒(20-80mm)的起動(dòng)條件，Runl4Runl7床面鋪沙比降為3%,其它各組次保持平鋪狀態(tài),各組次保持床面?zhèn)€別顆粒運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到部分重塑河床的目的，但并不產(chǎn)生大髭的泥沙輸移。槽首設(shè)置閥門及靜水池，流量時(shí)采用矩形堰，測試段尾部設(shè)置尾水閥門以控制水

16、深，水槽導(dǎo)軌上安置多普勒聲速儀(AcousticDopplerVelocimeter一ADV)測量支架。測景時(shí),ADV的流速范圍選用(250cm/s；采樣頻率采用50Hz,每個(gè)點(diǎn)采樣時(shí)間至少為20so2時(shí)均流速特征分析圖3、圖4為各試驗(yàn)組次測試斷面的5條垂線的時(shí)均流速平均值沿相對(duì)水深的分布,結(jié)合表1水沙參數(shù)可知:無床沙的Runl和Run2組次，時(shí)均流速符合一般對(duì)數(shù)分布，在2mm和5mm均勻沙組成的床沙試驗(yàn)Run3、Run4、Run5組次,流速分布仍符合對(duì)數(shù)分布，見圖3。而由10mm構(gòu)成的床沙試驗(yàn)Run9、Runl0、Runll組次中，隨著水流參數(shù)的變化,流速出現(xiàn)從對(duì)數(shù)分布到S型曲線的轉(zhuǎn)變，同樣

17、的情況在由20mm均勻沙鋪成的床沙條件，也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。而由20mm至60mm及40mm至80mm的非均勻沙，其中&分別為40mm及60mm組成的床沙，試驗(yàn)中均出現(xiàn)S型流速分布，見圖4?；诒敬卧囼?yàn)結(jié)果，由表1可知，當(dāng)2.0<R/Kt<5.9,均出現(xiàn)了S型曲線。當(dāng)佛汝德數(shù)Fr>0.41,除由5mm均勻沙組成的床沙試驗(yàn)Run5組次外，其它均出現(xiàn)S型曲線。此外,S型曲線的轉(zhuǎn)振位置Z/H值隨著不同的水流特征及床面特性具有不同的變化，圖5反映了轉(zhuǎn)披位置Z/H與相對(duì)糙度R/K,的關(guān)系。由此可說明S型曲線不僅依賴于水流條件，同時(shí)也與床面相對(duì)糙度密切相關(guān)。0.9-0.80.70.

18、6工0.5房-020.10.0。SectionI®Section2*N040.310203040F7(cm.s")(a)RuniP.°.oSection1*Section2*0010203040506070團(tuán)(cm.s。c0.7oSection)*o0.6°Section2*<p0.58o&0.4.eo0.3<D0.2J0.)-/o0.rrv1.OD-10102030405060FZ(cm.s'*)(b)RunS040.2_oSection1"'

19、;aSection2*00102030405060。Section1*oSection2*。Section1*oSection2*50403020ry(cm.s"').(ems1)(c)Run3(d)Run060.40.30102030為(cm.s。rz(cms-')oSectioni*oSection2*oSection1"oSection2*00102030405060由就*u0050GeoQ5C%op(f)Run6(h)Run8圖3對(duì)數(shù)律時(shí)均流速分布Fig.3Measurementsofvelocityprofileswithlog

20、arithm-law18四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）第39卷0.6:°'5。Section1*Section2*0.4-020406080100F7(cnvs")0.40302oSection1*Section2*020406080100"(cm.sT)(b)RunlO(a)Run9oSection1*Section2*0.5。Section1*oSection2*0.4o%0.40.320406080100/(ems1)co0&OQOO0020406080100(c)Runll0204060801000.80.7

21、oSection1*o°Section2#。0.6e05oo50.4Nw。030.2o°oa0.10(d)Runl2以(cm.s-1)F7(cm-sd)以(cm.s')J7(cm-s-1)J7(cm.s*)(c)Runl3(f)Runl4(g)Runl5(h)Runl6(i)Runl7020406080100圖4S型時(shí)均流速分布Fig.4MeasurementsofvelocityprofileswithS>shape0.400.35、0.30私250.200.15135791JJ3RKS圖5S型時(shí)均流速轉(zhuǎn)援位置Z/W與關(guān)系Fig.5Therdatkmship

22、betweenrelativedepthandrelativeroughnessinS-shapetransitionlocatioii2結(jié)論基于不同卵礫石床沙組合條件下的床面時(shí)均流速資料分析，初步認(rèn)為床面糙度和水流流態(tài)是影響時(shí)均流速分布的兩個(gè)主要方面。以實(shí)驗(yàn)資料分析表明,佛汝德數(shù)和相對(duì)糙度R/K,在一定程度上可判定其歸屬于單一的對(duì)數(shù)分布還是S形變化，而S型曲線的轉(zhuǎn)披位置Z/H值與相對(duì)糙度R/K,具有較好相關(guān)性。參考文獻(xiàn)：(1KueleganGH.LawsofturbulentflowinopenchannelsJ.JournalofResearch,NationalBureauofStand

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