挾沙水流近底流速試驗(yàn)研究及隨機(jī)相位分析.docx

1、【水文淀沙】挾沙水流近底流速試驗(yàn)研究及隨機(jī)相位分析劉麗板，陳洪凱1,何光春3（1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，重慶400074；3.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400042）摘要:在動(dòng)床挾沙水流條件下，測(cè)量了不同流量及不同彎道情況下近底流速瞬時(shí)分布的情況，將時(shí)域信號(hào)通過仲里葉變換轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)近底流速頻域內(nèi)隨機(jī)相位的分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨機(jī)相扃服從正態(tài)分布。關(guān)鍵詞：時(shí)頻分析；近底流速；狹沙水流中圖分類號(hào)：P642.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2011.02.

2、022挾沙水流普遍存在于天然河道和人工渠道之中，動(dòng)床挾沙水流存在著兩個(gè)反饋系統(tǒng):一方面，水流可以塑造周界，而周界又反過來影響水流;另一方面,水流攜帶泥沙，而泥沙的存在又反過來改變水流的物理性質(zhì)和紊動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而影響其能景損失、流速和含沙量分布。與清水相比，挾沙水流流速分布規(guī)律要復(fù)雜得多，它不僅與水流條件有關(guān)，而且泥沙的存在還反過來影響水流結(jié)構(gòu),導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換和流速分布發(fā)生改變口一刃。因此，挾沙水流的流速分布規(guī)律成為了河流動(dòng)力學(xué)中的重要課題之一,一直受到學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注3-41o由于近底層水流流速在河口懸沙的水平輸送及底部再懸浮過程的研究中非常重要,因此挾沙水流近底流速數(shù)據(jù)的采集至關(guān)重要。-婦，筆者

3、采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)挾沙水流的近底流速特性進(jìn)行了研究,通過測(cè)量動(dòng)床挾沙水流近底流速（距離床面1cm）的瞬時(shí)分布，對(duì)近底流速進(jìn)行了譜分析，以期為動(dòng)力場(chǎng)中垂線流速分布及近底泥沙運(yùn)動(dòng)臨界過程的發(fā)生機(jī)制研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1試驗(yàn)方案及測(cè)試方法1.1試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)水槽長(zhǎng)30m、寬5m,坡度為3%,玻璃水槽長(zhǎng)約10m、高約0.9m.凈寬1.215m,設(shè)置了20m長(zhǎng)的引水段來穩(wěn)定水流流速。整個(gè)試驗(yàn)的循環(huán)水系統(tǒng)包括泵站、量:水堰、上游調(diào)節(jié)尾門、循環(huán)水廊道等裝置。供水系統(tǒng)采用循環(huán)供水模式，最大流量為600L/so試驗(yàn)流量為46.4、90.6、158、343.4L/s和527L/so12試驗(yàn)條件垂線流速分布測(cè)量是在挾

4、沙水流與槽底鋪設(shè)的泥沙層相互調(diào)整達(dá)到一種相對(duì)輸沙平衡、充分紊流條件下進(jìn)行的。槽首為矩形薄壁量水堰，寬1.3m、高1.1m,流量達(dá)到規(guī)定數(shù)值時(shí),放水時(shí)間控制在15min左右，相對(duì)誤差控制在±2%,槽尾通過尾門控制模型水位。13流速測(cè)量首先在水槽底部均勻鋪放80cm厚度的天然沙（粒徑5200mm），然后放入清水,通過加大系統(tǒng)的流量來造成槽底泥沙的沖刷，增大挾沙水流含沙最,最終建立一種相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)床平衡狀態(tài)，并在流動(dòng)的穩(wěn)定段設(shè)置固定測(cè)流斷面及測(cè)流垂線，測(cè)試斷面為4種不同彎道（對(duì)應(yīng)頂沖角度分別為83.87%54.82。、21.71。及2.24。），流速采用自行研制的瞬時(shí)流速（譜）采集系統(tǒng)來采

5、樣（測(cè)速），采樣速度設(shè)定為4000次/s,頻率響應(yīng)速度為100Hz,采樣數(shù)據(jù)非常可靠。2試驗(yàn)結(jié)果分析挾沙水流垂線流速分布曲線見圖1（*2=527L/s,斷面起點(diǎn)距為0.2m,頂沖角為83.87。），不同頂沖角度情況下近底流速隨流量的變化見圖2。從測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，近底流速及各測(cè)點(diǎn)流速存在強(qiáng)烈的紊流脈動(dòng)現(xiàn)象。受泥沙顆粒的影響，近底流速可能出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象。從圖2中發(fā)現(xiàn)，近底流速并未隨流量的收稿日期：201401-12基金項(xiàng)目：教育部高校博士點(diǎn)基金責(zé)助項(xiàng)目（20080618001）；中國(guó)將士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20080430095）。作者簡(jiǎn)介：劉麗（1979-）,女.吉林舒蘭人，講師，1士，研究方向

6、為泥石沆達(dá)動(dòng)力學(xué)及水動(dòng)力學(xué)。E-mail：llwwqqhh圖2不同頂沖角度近底流速隨流變化曲線增大呈單一的增大趨勢(shì)，而是有所跳動(dòng),原因是動(dòng)床泥沙顆粒的影響及床底糙率在不斷變化。圖2不同頂沖角度近底流速隨流變化曲線增大呈單一的增大趨勢(shì)，而是有所跳動(dòng),原因是動(dòng)床泥沙顆粒的影響及床底糙率在不斷變化。概率密度函數(shù):自相關(guān)函數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)化后：功率譜密度函數(shù):離散形式:p(z)Cr=Rr/D0=4/J(r)cos2frdr=2hDCo+2m-l,»c。僵)+Cmcos(wk)(6)(7)(8)(9)(10)3近底流速譜分析式中:z=U；r為滯后數(shù)為最大滯后數(shù);A=0,l,a2,，3.1頻譜分析方法在

7、工程實(shí)踐中，江湖海浪、地震波、水流脈動(dòng)等物理現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響都是隨機(jī)的，即這些現(xiàn)象產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(如地震的速度、加速度、海浪波高等要素，高速水流的流速和壓力等)不能用確切的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行描述。對(duì)于這類隨機(jī)數(shù)據(jù),一般多采用其統(tǒng)計(jì)特征值。而對(duì)于常見的各態(tài)粒徑的平穩(wěn)隨機(jī)過程,多采用其均值、方差、概率密度函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)來描述，這種方法在實(shí)際工程中可以解決許多問題。作為平穩(wěn)隨機(jī)過程的一個(gè)樣本函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析IF的最基本步驟是將樣本函數(shù)進(jìn)行有限化和離散化，稱為一組隨機(jī)數(shù)據(jù)。由于進(jìn)行分析的隨機(jī)數(shù)據(jù)是全部記錄中的一部分并進(jìn)行間隔采樣而取得的，因此用這組數(shù)據(jù)來描述數(shù)據(jù)特性與原始樣本函數(shù)固有

8、特性之間的差別在于“有限”代替了“無限”，“離散”代替了“連續(xù)”。為保證其基本形式滿足數(shù)學(xué)上的“采樣定理”，采樣間隔h應(yīng)為h=1/(2/；)(1)式中為奈奎斯特截?cái)囝l率。對(duì)于數(shù)據(jù)的有限長(zhǎng)度匚按下式計(jì)算：T=Nt(2)式中為記錄的有限長(zhǎng)度瀏為采樣總數(shù)。按上述方法采樣，分析的最大有效周期為"2,最高頻率為九。根據(jù)N個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)可以估算過程的隨機(jī)特征,其離散形式為均值：_1NX=用%(3)方差：N_。=身£(尸(4)均方差：a=-/D(5)上述由自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換求功率譜的方法即為基本的估計(jì)功率譜的方法。功率譜推求方法還有快速傅里葉變換(FFT)和自回歸模型等。這些對(duì)于提高功

9、率譜的推算速度和精度都有深層意義。3.2挾沙水流近底流速頻譜分析結(jié)果水流流速信號(hào)的采集受許多因素制約，為避免干擾信號(hào),采用了硬件濾波，同時(shí)在流速信號(hào)采集完畢后對(duì)信號(hào)進(jìn)行后期數(shù)字濾波處理，以避免高頻段干擾低頻段。同時(shí)，對(duì)近底瞬時(shí)流速譜進(jìn)行時(shí)域到頻域內(nèi)的轉(zhuǎn)換從近底流速信號(hào)頻域圖中可以看出，隨機(jī)相位角滿足平穩(wěn)隨機(jī)過程。通過傅里葉變換，近底流速瞬時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)的信號(hào)，以某測(cè)點(diǎn)為例,共獲得隨機(jī)相位角數(shù)據(jù)512組，隨機(jī)相位角為-229。849。，繪制樣本的頻率直方圖，根據(jù)隨機(jī)相位角的取值范圍確定組限、組中值和頻數(shù),并繪制經(jīng)驗(yàn)分布密度函數(shù)，嘗試使用正態(tài)分布對(duì)此分布密度函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明其符合正態(tài)分布。參考文獻(xiàn)：1 舒安平，劉青泉,費(fèi)俊祥.高低含沙水流流速分布的統(tǒng)一規(guī)律J.水利學(xué)報(bào),2006(10):1175-1180.2 王元葉，何育.聲學(xué)多普勒流速剖面儀近底有效流速數(shù)據(jù)處理初步研究JJ.水科學(xué)進(jìn)展,2008(3):394-399.3 朱長(zhǎng)軍，張金良,江恩惠，等.明渠含沙水流的垂線流速分布特性研究J.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2007(5)：1-3.4錢寧,萬兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)M.北京:科學(xué)出