明渠渠底糙率突減對紊流流速及紊動強(qiáng)度影響的試驗(yàn)分析.docx

1、2007年2月第26卷第1期JournalofIrrigationandDrainage八寸刀e文章Ml號:1000-646X(2007)01-0069-04明渠渠底糙率突減對紊流流速及紊動強(qiáng)度影響的試驗(yàn)分析張紅光，范志高，尹紅霞，王方勇(河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056021)摘S：利用激光剝速僅，對壁面槌率夾戒時的明渠紊流進(jìn)行試臉，測量了縫率交凌不同水深精況下明渠親流的縱向時均流速和脈動流速.分析粗糙度突戒對明渠未浪的影響.得到壁面槌率減小后明渠紊流的時均流速分布特點(diǎn)以及紊動強(qiáng)度的發(fā)展變化.關(guān)詞：槌率；親沆；時均流速；未動強(qiáng)度中圖分類號：TV133.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A由于紊流研究本身的復(fù)

2、雜性，還有很多問題需要解決，特別是糙率突變的明渠紊流。國內(nèi)近年來對糙率突變的紊流邊界層問題研究，相對較少。劉士和、余順超對水流中類似問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬。從國內(nèi)外研究資料看，對明渠渠底糙率突變和糙率區(qū)域變化的研究，其研究的成果還不成熟，還有待于進(jìn)一步深入探討和研究。紊流糙率變化的試驗(yàn)，是研究紊流十分重要的方法。通過明渠渠底紊流糙率變化試驗(yàn)，來測定紊流糙率系數(shù)，研究明渠素流現(xiàn)象和運(yùn)動趨勢，可以為工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)，為工程建設(shè)提供參考等。由此可見，在現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用中，有必要對壁面粗糙度突變后明渠流動特性進(jìn)行研究。1試驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng)水槽實(shí)驗(yàn)是明渠水流特性的基本手段，采用激光測速儀

3、測量矩形水槽中水力過渡壁面紊流和水力粗糙壁面素流在3種不同水深中的縱向時均流速和縱向脈動流速。主要測定糙率突增和糙率突減二大類糙率突變情況，主要介紹糙率突減的情況。糙率突減情況為水力粗糙壁面一水力過渡壁面突變，分析其流速分布的變化情況及紊動強(qiáng)度的變化特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)水槽：矩形的有機(jī)玻璃水槽，長12m、寬0.4m、高0.7m,底部坡度為1%。，為穩(wěn)定進(jìn)口流量和平順?biāo)圻M(jìn)口流態(tài)，水槽頭部與矩形堰底部出水處用45°傾斜光滑板連接。粗糙板制作：水槽中鋪設(shè)有光滑的塑料板，對壁面做人工加糙。試驗(yàn)采用3種不同的壁面，分別為光滑壁面，小粗糙壁面和大粗糙壁面。光滑壁面直接在光滑板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，小粗糙壁面用0.1

4、50.25mm粒徑的篩子來篩選大致均勻的沙粒，用膠均勻緊密的粘在橡膠板上。對于均勻粗糙顆粒緊密地布滿壁面的情形，則顆粒直徑可以作為包。對制成粗糙板進(jìn)行實(shí)際測量時，粗糙板底部到沙粒頂部得距離測量得到0.21cm,即認(rèn)為k,為0.21。大粗糙壁面時，采用510mm粒徑的篩子來篩選沙粒，最后測量k,高度為0.62cm。供水系統(tǒng):采用恒壓水箱循環(huán)供水，實(shí)驗(yàn)時采用同一個流量，尾門調(diào)節(jié)水位，測針測量水位，進(jìn)口段穩(wěn)定區(qū)和水槽尾部均安一測針，測針測量精度可達(dá)到0.1mm,實(shí)驗(yàn)確保是均勻流。采用的3個水深分別為7.09,8.45和9.8cm.測量儀器采用清華大學(xué)研制得SCD-22型二維頻移激光測速儀測定水槽水流

5、流速。該測速儀具有非收質(zhì)日期：2006-10-23基金項(xiàng)目：河北省科技領(lǐng)軍人才創(chuàng)新資金項(xiàng)目資助(06547001D-4)作者簡介：張紅光(1969-),男，河北邯鄲人，講師，從事水利工程結(jié)構(gòu)教學(xué)與研究.接觸測量、線性特性、較高的空間分辨率和快速動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，其綜合指標(biāo)測速范圍為：一5m/s15m/s；瀏速精度優(yōu)于1%。其主要由以下幾部分組成:HE-NE激光器，入射光單元，接收光單元，頻移單元，前置放大濾波器，多普勒信號處理器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和光學(xué)導(dǎo)軌及座標(biāo)架系統(tǒng)。用二維激光測速儀測論底部流速分布時，水平方向和垂直方向的三束光匯成交點(diǎn)受限，因此激光器用二維的測量不到最低部的流速分布。試驗(yàn)中曾將激光

6、器發(fā)射體單元和入射光單元向下微傾，相應(yīng)的接受光單元也微傾，但是效果不是很好，因此實(shí)驗(yàn)時只采用二束光，測量一維流速，即縱向時均流速和縱向脈動流速。2試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)底板糙率改變從4.1m開始，這樣就保證突變前水流已發(fā)展成為充分發(fā)展的紊流。水力粗糙壁面到水力過渡壁面突變的試驗(yàn)斷面選擇在突變點(diǎn)前70cm,突變點(diǎn)后10、20、30、40、55、70、85、100和300cm處。各斷面測點(diǎn)從底部1mm處開始測量，最底部每隔0.2mm測1次，往上隔0.5,1mm,外區(qū)則每隔5mm測量1次。每個測點(diǎn)同時測量3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取3次的均值。以7.09cm水深水力粗糙到水力過渡突變情況為例，從圖1可以看出，糙率突

7、減情況下的流速分布，可以分為內(nèi)區(qū)和外區(qū)，內(nèi)區(qū)分粘性底層和對數(shù)區(qū)，圖1中u+=u/u*。+=如，其余符號意義見式（1）中的解釋。粘性底層流速分布符合線性分布，對數(shù)區(qū)可用對數(shù)律表示，外區(qū)用尾流函數(shù)II來修正。T;ra50502211u*-2.51n(y>7.31o'0.1110100y/c«b)俺率突減后10cm流速分布S.51n(y4H9.60110/CBc）福率突減后405流速分布100I10/«d）限率突減后100o流速分布100明渠均勻紊流對數(shù)區(qū)流速分布符合對數(shù)律公式：圖2槌率夾成后內(nèi)區(qū)彼速分布圖圖1桂率突戒城向時均流速沿程分布圖(1)-=-|-ln產(chǎn)+B

8、u*kk,式中：“為時均勻流速（cm/s）；u*為摩阻流速（cm/s）德為卡門常數(shù)值，取&=0.4；、=乂+加力為測點(diǎn)距離粗糙顆粒頂部的距離（cm）；y。為理論頂點(diǎn)在粗糙顆粒頂點(diǎn)以下的距離（cm）；A,為粗糙高度（cm）；B為積分常數(shù)。從圖2可以看出，糙率突減以后，靠近突變點(diǎn)處，粘性底層流速較遠(yuǎn)離突變點(diǎn)處的流速大，70但在對數(shù)區(qū)，靠近突變點(diǎn)處的流速增長比遠(yuǎn)離突變點(diǎn)處的要緩慢。對數(shù)區(qū)流速分布的擬合公式中積分常數(shù)B的值也發(fā)生相應(yīng)的變化，先變大而后變小最后趨于常數(shù)。外區(qū)流速分布同糙率增大的情況完全不同，接近突變點(diǎn)處，外區(qū)流速往上偏離對數(shù)區(qū)的程度比充分發(fā)展的紊流偏離的還要大。遠(yuǎn)離突變點(diǎn)后偏離的

9、程度逐漸減小。在突變過程中，對外區(qū)流速用尾流函數(shù)來修正，可以得到H的值，如表1所示，II值在突變點(diǎn)處突然增大，以后就逐漸減小，表1中X為測點(diǎn)到糙率突變處的沿程距離(cm),突變前為負(fù)，突變后為正。表1樁率突減靖況下流速分布公式中各參敷值x/cm-7010203040557085100300B9.227.3】10.99.69.487,087.197.036.778.13n0.190.650.80.640.190.140.160.110.120.21根據(jù)實(shí)測的實(shí)驗(yàn)資料，以7.09cm水深水力粗糙到水力過渡突變情況為例，來分析糙率突減的紊動強(qiáng)度變化情況，其結(jié)果如圖3,圖3中N為紊動強(qiáng)度,力為試驗(yàn)水深

10、(cm)。0.18/16r0.140.12b)突變后203的紊動強(qiáng)度N0.20.180.120.2d)突變后100cm的紊動強(qiáng)度0.60.80.160.1400.20.40.60.8y!ha）突變后10s的紊動強(qiáng)度0.1'*00.20.40.60.8yihc）突變后40c的紊動強(qiáng)度圖3水力權(quán)粒到水力過渡壁而突變養(yǎng)動強(qiáng)度沿程變化情況從圖3可以看出，大粗糙到小粗糙突變過程中，在突變點(diǎn)處，紊動強(qiáng)度變化的劇烈，整個水深紊動強(qiáng)度都在發(fā)生明顯的變化,特別是近壁區(qū)，紊動強(qiáng)度變化更加明顯。隨著水流向下游流動，素動強(qiáng)度變化逐漸減少,到充分發(fā)展的紊流區(qū)，外區(qū)摩阻流速幾乎不變，接近常數(shù)。同糙率不變和糙率突增

11、情況一樣，素動強(qiáng)度在近壁區(qū)變化劇烈，但最大值不是最靠近底部的區(qū)域，而是在大約0.20.4倍水深左右紊動強(qiáng)度最大，最大值達(dá)到0.2。在充分發(fā)展的紊流段，紊動強(qiáng)度最大值大約為0.15-0.16左右。3結(jié)論1) 糙率突減后，明渠紊流從一種均勻流到另一種均勻流轉(zhuǎn)變的過程中，流速分區(qū)同樣的分為內(nèi)區(qū)和外區(qū)，內(nèi)區(qū)分粘性底層和對數(shù)區(qū)。外區(qū)流速在均勻紊流形成過程中同充分發(fā)展的紊流流速分布趨勢不同，但同樣可以用尾流函數(shù)來修正。2) 糙率突減后，靠近突變點(diǎn)處，粘性底層流速較遠(yuǎn)離突變點(diǎn)處的流速大，但在對數(shù)區(qū)，靠近突變點(diǎn)處的流速增長比遠(yuǎn)離突變點(diǎn)處的要緩慢。對數(shù)區(qū)流速分布的擬合公式中積分常數(shù)B的值也發(fā)生相應(yīng)的變化，先變大

12、而后變小最后趨于常數(shù)。對y/h>Q.2的外區(qū)，發(fā)展中的水流和充分發(fā)展后的水流外區(qū)流速分布明顯的不同。外區(qū)流速分布同糙率增大的情況完全不同，接近突變點(diǎn)處，外區(qū)流速往上偏離對數(shù)區(qū)的程度比充分發(fā)展的素流偏離的還要大。遠(yuǎn)離突變點(diǎn)后偏離的程度逐漸減小。對突變過程中外區(qū)流速用尾流函數(shù)來修正，得到IT值在突變點(diǎn)處突然增大，以后就逐漸減小。3) 糙率突減后各個斷面的素動強(qiáng)度在近壁區(qū)變化比較劇烈，但其最大值不是在最底層，而是在粘性底層以上的區(qū)域，大約在0.20.4倍水深處達(dá)到最大值0.2,以后又逐漸降低，接近水面處最低，此時的紊流度要小于粘性底層的素動強(qiáng)度。由于自由水面的影響，在水面處紊動強(qiáng)度不是最小。4

13、) 糙率突減時，糙率突減后的紊流在發(fā)展過程中，紊動強(qiáng)度比充分發(fā)展后紊流的紊動強(qiáng)度要大的多。在突變點(diǎn)處，紊流度變化的劇烈，整個水深素流度都在發(fā)生明顯的變化，特別是近壁區(qū)，素動強(qiáng)度變化更加明顯.隨著水流向下游流動，素動強(qiáng)度變化逐漸減少，到充分發(fā)展的紊流區(qū)，外區(qū)摩阻流速幾乎不變，接近常數(shù)。參考文獻(xiàn)：1JDanNaot.ResponseofChannelFlowtoRoughnessHeterogeneity.JournalofHrdaulicEngineering,1985,110(1).2劉士和，余順超.壁面粗植度突變對湖流邊界層的影響J.水動力學(xué)研究與進(jìn)展.1998,(3),35-40.3沈熊.

14、激光多普勒測速技術(shù)及應(yīng)用M.北京，清華大學(xué)出版社,2004.ATestAnalysisofOpenCanalBottomCoefficientofRoughnessAnticlimaxonTurbulentVelocityofFlowandIntensityofTurbulenceInfluenceZHANGHong-guang,FANZhi-gao»YINHong-xia>WANGFang-yong(CollegeofWaterandElectricity,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,China)Abstract:Byt

15、estingopencanalturbulentflowaswallsurfacecoefficientofroughnessanticlimaxusinglaserDoppleranemometer,authorhasmeasuredopencanalportraitaverageflowvelocityperhourandfluctuatingvelocityasvariouswaterdepthcoefficientofroughnessanticlimaxandhasgainedopencanalturbulentdistributioncharacteristicofaverageflowvelocityperhourafterwallsurfacecoeffic