跌坎下游流場的時均流速分布和脈動特性.docx

1、水動力學研究與進展JOURNALOFHYDRODYNAMICSSer.A,Vol.12.No.3Sep.,1997叫5FA輯第12卷第3期1997年9月跌坎下游流場的時均流速分布和脈動特性圭液，李丹勛V曲兆松安鳳玲1清華大學水利天畝工程系，北京100084）摘旻本文采用顆檢示蹤的方法試驗研究了趺坎下游主流重新接觸床面流區(qū)的時均流速分布，流速的脈動強度及各點昧動流速的概率密度分布，試驗結(jié)果表明，跌坎下游水流分離，具有穩(wěn)定的漩渴發(fā)展,漩漏產(chǎn)生的頻率約為呼2秒3次。重新接觸點離跌坎的距離約在36倍坎高之間.在主流重新接觸床面的流區(qū)，素動郭切應力最大，在量測的流區(qū),豚動流速的概率密度接近正態(tài)分布。關詢

2、取口主理，竺埋在水利.工程中,跌水是一種常見的水流現(xiàn)象，如堰閘出流、河網(wǎng)交汲、江河匯流及入海等都會產(chǎn)生跌坎水流。由于跌坎下游的水流分離，主流在下游一定距離重新接觸床面，對局部河床將產(chǎn)生強烈沖刷。為了保持河床穩(wěn)定和水利工程的安全，需要采取一些工程措施保護跌坎下游的床面。所以對跌坎下游床面顆粒的受力特性及主流重新接觸床面流區(qū)的水流條件進行研究是有實際意義的。王興奎等人曾對跌坎下游床面顆粒的受力特性進行過試驗研究，得出了顆粒上舉力系數(shù)的變化規(guī)律及上舉力的概率密度分布等統(tǒng)計參數(shù)OChiangShih試驗研究了跌坎下游回流的三維特性，得出主流重新接觸床面點離跌坎的平均距離為跌坎高度的4.3倍。流場量測儀

3、器和技術的開發(fā)一直是試驗流體力學的重要組成部分，顆粒示蹤測速（ParticleImageVelocimetry）技術就是近年來發(fā)展起來的一種先進技術，花流場髭測中取得了很大的進展,陳景仁對80年代以前的研究成果作,了系統(tǒng)的介紹和評述°、李玉梁等人對近年來用圖像處理技術測量流場物理量的研究亦作較全面的介紹在圖像處理軟件鬲開發(fā)方面,L.Lourenco的研究成果處于這一領域的前沿?，F(xiàn)有的圖像獲取和處理大致有三類方法：（1）用高清晰度照相機拍攝照片，再用高分辨率的掃描儀將底片的圖像數(shù)字化后進行分析:叫（2）用攝像機錄取圖像，通過圖像卡進行分析（3）隨著計算機性能的提高和計算技術的發(fā)展.一些

4、學者開始采用在線實時采集系統(tǒng),將帶內(nèi)存的數(shù)字式照相機直接和計算機聯(lián)接.將圖像在計算機的屏幕上顯示，并將有用的信號存入計算機叱°本文于1996年7月22日收到.國家自然科學基金資助項目.2試驗設備和過程試驗和基本數(shù)據(jù)的處理在美國弗羅里達洲立大學流體力學實驗室進行。試驗是在一個長3、4米、高0.6米、寬0.5米的玻璃水箱中進行，水箱上部裝有無級調(diào)速牽引架，用其帶動固定試驗模型、攝像系統(tǒng)和反光鏡面的三個平臺，試驗時由牽引架牽引以使三部分同步運動。試驗模型用有機玻璃制成，坎高0.95cme采用18瓦氯粒子激光器作照明光源。反光鏡由24個鏡面組成一個棱柱形,當其旋轉(zhuǎn)時可提供各種疏率的脈沖光源。

5、示蹤顆粒為鍍銀空心玻璃球，直徑0,01mm.比重1.4。圖像采集采用高分辨率的照相機每秒鐘拍6幅圖像采用光學掃描儀將照片的底片數(shù)字化,分辨率為每英t1800點.每點的灰度分成256個等級，用FFT計算30、66（高用寬）矩形點破陣的自相關以確定該矩形框內(nèi)的平均速度。在水箱中的清水中加入示蹤玻璃球攪拌均勻，待其靜止后開始進行試驗，牽引架由計算機控制的無級調(diào)速電機帶動，以10.85cm/s的速度向前運動，等流場發(fā)展穩(wěn)定后開始照相，每秒鐘6幅.每幅曝光4次，由棱柱鏡面的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)每次曝光間隔，試驗采用2、22ms,一組試驗拍6秒鐘。3時均流場的試驗結(jié)果試驗資料的幾何尺度用坎高無量綱化,縱向為丁，垂向為

6、"流速用外流場的均勾速度（即牽引架的運動速度）無量綱化，無量綱的縱、垂向流速分別用表示。3.1流速場和渦場圖1為連續(xù)瞬時的流線圖，每圖之間的時間為1/6秒，圖幅的時間順序從上到下。從圖中可以看出,水流在坎下分離后產(chǎn)生漩渦，并比較穩(wěn)定地向下游運動，在一定距離后，其后又產(chǎn)生新的漩渦。漩渦中心的高度隨距離逐漸降低，直至分離流逐漸重新接觸床面，漩渦亦將因猝發(fā)而崩解。圖2為與流線圖對應的渦覺圖，渦雖定義為：圖中實線為正的渦最值。虛線為負的渦危值，從圖中可以看出，在漩渦中心區(qū).渦危值很大，說明漩渦很強，其變化趨勢與流線圖中漩渦的變化趨勢是一致的。在接近跌坎的近壁流區(qū),渦量為負值，從流線圖中可以看

7、出，這一流區(qū)存在明顯的回流。*圖3為圖1中近壁流區(qū)的縱向流速隨時間的變化，橫線以上為正，橫線以下為負，兩橫線之間無量綱流速的單位為L定義縱向流速從負值到正值的交點為主流重新接觸床面的點,其離跌坎的相對距離用T,表示,則從圖中可以依次得出各瞬時流場的C值。從圖中可以看出7；值隨時間逐漸加大，說明隨著漩渦向下游運動，重新接觸床面點的位置也向下推移（見圖中上面4條線）。但到一定的時候，在其上游又會產(chǎn)生新的重新接觸床面的點，并再一次向下游推移（見圖中下面3條線）。從圖3可確定7，隨時間的變化。用主流第一次接觸床面的點為重新接觸點，其離跌坎的相對距離用X,表示，如圖4中實線所示。橫坐標T.的單位為每幅圖

8、的時間間隔，即1/6秒。圖1流線圖隨時間的變化圖2渦量隨時間的變化（時間順序從上到下）Ti圖4的圓圈表示漩渦中心離跌坎的相對距離X,隨時間的變化。從圖中可以更清晰地看出漩渦中心點和重新接觸點的變化規(guī)律及它們的相對關系。漩渦中心點的位置不斷向下游推移,其后一定的距離又會產(chǎn)生新的漩渦，即在圖1中同一圖內(nèi)可以看到兩個漩渦.漩渦產(chǎn)生的頻率約為每2秒3次。重新接觸的位置一般在第二個漩渦的下游，但如兩個漩渦的間距較大.重新接觸點的位置也可能在第一個漩渦的下游，離跌坎的距離X,a36，這與ChiangShih的試驗結(jié)果為同一范圍，重新接觸點的變化規(guī)律與漩渦中心點的變化密切相關，當漩渦中心點的位置向下游推移時

9、,重新接觸點的位置也隨之往下推移,離跌坎的距離亦不斷增加但到一定的時刻，漩渦突然崩解或因前一漩渦的加速而使兩個漩渦之間的距離加大,重新接觸點會突然移到距跌坎較近的地方。這樣變化的頻率大約為每2秒3次。圖5兩個漩禍之間的距離應隨離跌坎距噩的變化圖5、為同一圖中的兩個漩渦之間的距離D,隨第一個漩渦離跌坎距離Tq的變化。從圖中可以看出，當丁”<4.5時.D,仁2.1,即大致在重新接觸點以前，Dx基本保持不變，當T,】>4.5時隨7”的增加而加大,這說明在主流重新接觸點以后，下部流區(qū)存在加速運動，處于下游的漩渦的運動速度比上游的要快一些。3.2時均流速分布圖6中的U、V分別為縱、垂向無量綱

10、的時均流速分布，括號中的數(shù)字表示該物理量在兩格Tx圖6縱垂向的時均流速分布理鼠在兩格之間的單位距離所代表的數(shù)值，如0.2表示一格長度為0.2。與流線圖相對應，右上方的主流為向右下流動，而左下方則存在回流和向上的流動，表明其時均值存在一順時針的回流。從。的分布圖可以看出，大約在丁,=5.5時，主流重新接觸床面。最大縱向流速約等于1.即接近于外流場的速度，最大垂向流速約為0.1。4脈動流速的統(tǒng)計參數(shù)4.1脈動強度與剪切應力縱、垂向的脈動流速為：uU（I）UvV（X）V（2）.式中U（Q、V為瞬時流速。縱、垂向的脈動強度分別為/、":.舄（U.）一uyIV（v（n-v）2,.“'=

11、J”=JN（3）圖7為/以的分布圖，從圖中可以看出，除縱向涎速分布的第一條線存在量測誤差外,縱、垂向脈動流速的最大強度大約為o.10.2,比一般兩渠水流要大一些，這表明跌坎下游產(chǎn)生的漩渦將增加素動強度。流場中的紊動剪切應力可表示為-=一問，則圖7中的云具有素動剪切應力的意義，與圖6的時均流速分布的對比可知，在主流和回流的交界流區(qū)，素動剪切應力最大.最大值出現(xiàn)的范圍和重新接觸點的區(qū)域大致接近即對水利工程而言，這一部分河床應加以重點防護。4.2度分布如紊動流場為平穩(wěn)隨機過程并滿足遍歷性的假定，則可用時間序列的實測資料計算各種紊動統(tǒng)計參數(shù)，概率密度即是最重要的統(tǒng)計參數(shù)之一。將脈動流速正則化，即“/,

12、則其概率密度分布可與標準正態(tài)分布進行比較。圖8中的圓點（）為7,=0.5，=1.2.3（從左到右）的實測概率密度分布，同時用實線畫出了標準正態(tài)分布曲線，從圖中的對比可以看出，縱向16120.80.40.01.6120.80.4001.61.20.80.4°°2nHHdHMdvnMHHHHHHHkdHMHBrrrTTTynhMHEMyi£ttlTrJ£ux-rfH"56Tr圖7脈動強度和剪切應力的二維分布.圖§縱向（上圖）和垂向（下圖）脈動流速的概率密度分布脈動流速的概率密度分布"和垂向的L都接近正態(tài)分布；.5姑論.-'

13、;.*在水利工程中，因上游水位抬高而在下游形成跌水的現(xiàn)象極為常見,所以研究跌坎F游的水流運動規(guī)律及重新接觸點的特性具有重要的意義。本文采用顆粒示蹤的方法對這一課題進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明；（1）跌坎下游水流分離，形成穩(wěn)定的漩渦.兩個漩渦的間距平均在24倍坎高之間，漩渦產(chǎn)生的頻率約為每2秒3次.（2）重新接觸點的位置一般在第二個漩渦的下游，離跌坎的距離約為3到6倍坎高，呈周期性地變化,其頻率大約為每2秒3次。（3）在主流重新接觸床面的流區(qū)，素動剪切應力最大，這一段河床應加以重點防護。（4）在所測的流區(qū).脈動流速的概率密度接近正態(tài)分布。參考文獻1 WangXingKui,FontijnHL.E

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18、ntalinvestigationforthispurposehasbeencarriedoutbyusingPIVtechnique.Resultsaresummarizedasfollows：(1)Theseparationofflowtakesplacejustdownstreamothebackward-facingstepandastableeddyformsandmovesdownstream.Aneweddydevelopsoonafterwards.Theaveragedistancebetweentwosequentialeddiesfallsbetween2and4timesofthesiepheight,whilethetimeintervalstaysatabout0.7second.2)Theportionofrcattachmentis.usuallydownstreamofthesecondeddy,36timesofthestepheightawayfromthestep.Reattachmentpointisperiodicallychangedatarateabout3timesevery2seconds.(3) Turbulent,shearstressreachesitspeakinthereattach