光滑明渠非恒定流傳播特性及流速分布研究.pdf

1、非恒定流是自然界中流體運(yùn)動(dòng)最為普遍的形式，河道中的洪水推進(jìn)、水庫(kù)泄流、船閘充排水、水庫(kù)泄流以及潮波、海浪運(yùn)動(dòng)等等都是典型的非恒定流問(wèn)題。非恒定流的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而變化，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律較恒定流復(fù)雜。受研究手段的限制，非恒定流研究進(jìn)展緩慢，非恒定流運(yùn)動(dòng)的諸多特性還不明確。 當(dāng)前，隨水利開(kāi)發(fā)建設(shè)步伐的加快，河道非恒定流問(wèn)題日益突出。上游下泄的非恒定流到底對(duì)下游河道的通航條件、港口碼頭的安全運(yùn)行以及航道的演變會(huì)產(chǎn)生什么影響，都還不得而知。因

2、而，研究明渠非恒定流的傳播規(guī)律及運(yùn)動(dòng)特性，不但對(duì)于水利學(xué)科的發(fā)展具有重要的理論意義，而且對(duì)城市防洪和航運(yùn)等工程問(wèn)題的解決也具有重要的實(shí)際意義。 由于非恒定流問(wèn)題本身較為復(fù)雜，為了探索其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本文采用理論分析和水槽試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了特殊條件下(光滑明渠內(nèi)正坡條件下的正弦非恒定流)的非恒定流傳播特性和流速分布規(guī)律，主要內(nèi)容及結(jié)論如下： 1.建立了兩套高精度非恒定流試驗(yàn)系統(tǒng)(5m和28m長(zhǎng)變坡玻璃水槽)，由變頻器控制

3、水泵轉(zhuǎn)速產(chǎn)生穩(wěn)定的連續(xù)非恒定流過(guò)程，通過(guò)電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量、超聲水位計(jì)采集水位、激光粒子成像流場(chǎng)儀(PIV)測(cè)量流場(chǎng)，并開(kāi)發(fā)了超聲水位計(jì)和PIV流場(chǎng)儀的同步觸發(fā)控制程序，實(shí)現(xiàn)了流場(chǎng)和水深的同步測(cè)量。 2.在5m長(zhǎng)水槽內(nèi)進(jìn)行了光滑明渠內(nèi)的均勻流試驗(yàn)，利用PIV測(cè)量了明渠均勻流粘性底層(y<'+><5)至水面的流速分布。均勻流試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)典紊流理論以及其它經(jīng)典試驗(yàn)結(jié)果相吻合，說(shuō)明本試驗(yàn)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和較高的測(cè)量精度。

4、 3.通過(guò)28m水槽內(nèi)的非恒定流試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了明渠非恒定流的傳播特性，得到了傳播速度C<,0>、水深H、流量Q以及變形率t<,u>/T的變化規(guī)律。 明渠非恒定流的傳播速度為非恒定流波峰時(shí)的流速和微波波速之和。 明渠非恒定流在傳播過(guò)程中，當(dāng)時(shí)間周期T較大時(shí)，波峰水深趨近于H<,Qmax>(非恒定流的最大流量為恒定流時(shí)的水深)，波谷趨近于H<,Qmax>(非恒定流的最小流量為恒定流時(shí)的水深)；在時(shí)間周期T較小時(shí)，波峰、波

5、谷水深均趨近于恒定流時(shí)平均流量(Q<,min>+Q<,mix>)/2的水深H。 明渠非恒定流傳播過(guò)程中，流量的外包線變化特征與水深外包線類似；但平均流量Q<,0>沿程不變，而出口流量變幅Q<,b>(x)僅與進(jìn)口流量的變幅Q<,b>以及非恒定流的周期T有關(guān)。 非恒定流傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形，上升段變短而下降段變長(zhǎng)，其變形率t<,u>/T是傳播距離x、周期T和相對(duì)流量變幅的函數(shù)。 4.理論分析結(jié)合水槽試驗(yàn)，研究了明渠非

6、恒定流的床面剪切力τ<,0>的變化規(guī)律。受非恒定性的影響，床面剪切力τ<,0>在漲水階段比用恒定流公式計(jì)算的值大，而落水階段比用恒定流公式計(jì)算的值要?。害?,0>在漲水階段和落水階段都不是單值關(guān)系，最大值、最小值與波峰、波谷有相位差；隨著周期增大，非恒定性減弱，非恒定流的τ<,0>接近于恒定流。 5.理論分析結(jié)合水槽試驗(yàn)研究了明渠非恒定流垂線流速。非恒定流在傳播過(guò)程中流速分布仍然服從對(duì)數(shù)分布，卡門(mén)常數(shù)k為0.4左右，積分常數(shù)C與