u形渠道過水?dāng)嗝尕Q向流速分布規(guī)律研究

1、<p>　　U形渠道過水?dāng)嗝尕Q向流速分布規(guī)律研究</p><p>　　摘 要：本文主要利用二次函數(shù)和對數(shù)公式對U形渠道實(shí)測流速進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二次函數(shù)形式擬合曲線的相關(guān)系數(shù)在0.95左右，對數(shù)形式的擬合曲線相關(guān)系數(shù)在0.84左右，說明二次函數(shù)可以比較真實(shí)地反映流速分布情況。本文引入無量綱的相對流速u/v和相對水深y/h的概念，確定了在不同區(qū)域內(nèi)影響二次函數(shù)公式中系數(shù)a、b、c的主要因素以及其函數(shù)計(jì)算式。

2、</p><p>　　關(guān) 鍵 詞：U形渠道；流速分布；二次函數(shù) </p><p>　　Experimental Study On Velocity Distribution of Vertical in Open Channel with U-shaped Canal </p><p>　　Yu Jia,Gao Yang </p><p>　

3、　The Engineering&technical College of Chengdu University ofTechnology, Leshan 614000,China; </p><p>　　2.Water Resources Management Office in Benxi,Liaoning 117022,China) </p><p>　　Abstract:I

4、n this paper,we used quadratic function and logarithmic formula to simulate the practical velocity data form vertical of water across section,and found the correlation coefficientis about o.95 and 0.84.This shows that th

5、e quadratic function can reflect the real situation of velocity distuibution.Based on the dimensionless relative velocity u/v and relative depth y/h,the main influence factors on coefficients-a, b, c and their function f

6、ormulas are determined. </p><p>　　Key words: channel with U-shaped cross section;velocity distribution; quadratic function </p><p>　　中圖分類號：TV133文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A </p><p>　　中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

7、2095-2104（2012） </p><p><b>　　1 引言 </b></p><p>　　20世紀(jì)70年代以來，U形渠道因其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越、輸沙能力和抗凍脹破壞能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在我國灌區(qū)被廣泛使用[1]。但迄今為止其水力特性的研究和斷面測流技術(shù)的發(fā)展仍不完善，灌區(qū)通常采用矩形斷面渠道的測流方法對不具備量水設(shè)施的U形渠道進(jìn)行流速流量觀測，測流精度往往難以達(dá)到要求

8、，這在很大程度上影響了灌區(qū)的用水調(diào)度管理。本文采用理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對U形渠道的豎向流速分布規(guī)律做了初步分析，并為進(jìn)一步研究提供了一些有價(jià)值的依據(jù)。 </p><p>　　2 試驗(yàn)設(shè)備及水流條件[1][2][3] </p><p>　　試驗(yàn)水槽斷面為上部直線段梯形、底部圓弧弓形的非標(biāo)準(zhǔn)U形斷面。渠道長40m，深0.6m，底弧半徑0.3m，底弧圓心角，底弧弓形高0.227m，邊

9、坡系數(shù)為0.25，渠道底坡i為0.001。試驗(yàn)在水流為恒定均勻紊流狀態(tài)下進(jìn)行，流量測定范圍為30L/s～60L/s，水深范圍為0.1m~0.3m，水溫控制在20℃左右。試驗(yàn)共進(jìn)行了21組流量、水深、流速的量測。 </p><p>　　將水流流態(tài)比較穩(wěn)定的距渠道進(jìn)水口20m的地方設(shè)置為流速觀測段，并通過在渠道末端調(diào)節(jié)擋水板的方式來控制測量段水位。過水?dāng)嗝鏈y點(diǎn)的布設(shè)為每隔2cm設(shè)置一條測速垂線，并且每條垂線上每隔2c

10、m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)。 </p><p>　　本試驗(yàn)選用Vectrino小威龍點(diǎn)式流速儀進(jìn)行流速觀測，流速測量范圍1mm/s~4m/s，最高采樣頻率200Hz，最小采樣體積小于0.08m&sup3;，邊界距離探測精度0.1mm。 </p><p>　　3 U形渠道豎向流速分析 </p><p>　　3.1 豎向流速的二次函數(shù)公式和對數(shù)公式的對比分析 </p&

11、gt;<p>　　分析本試驗(yàn)的中垂線流速資料，將渠道在流量相同，不同水深情況下，中垂線上的實(shí)測流速按二次函數(shù)公式（1）和對數(shù)函數(shù)公式（2）進(jìn)行擬合，如圖1所示。 </p><p>　　二次函數(shù)公式(1) </p><p>　　對數(shù)函數(shù)公式 (2) </p><p>　　式中，為中垂線上水深y處縱向時(shí)均流速（），為摩阻流速（），y為中垂線上任一點(diǎn)到渠底的

12、距離（m），為過水?dāng)嗝嬷写咕€處水深（m）。 </p><p>　　由圖1可以看出，斷面最大流速位于自由液面以下，且中垂線上存在著流速值相等的兩點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)：按對數(shù)公式擬合的相關(guān)系數(shù)在0.84左右，擬合曲線有一定的偏差，還需引入尾流函數(shù)對這種偏差加以修正[4][5]，才能使得對數(shù)公式能夠真實(shí)的反映自由水面區(qū)域的豎向流速分布；而按二次函數(shù)公式擬合的相關(guān)系數(shù)在0.95左右，可以較真實(shí)的反映流速分布情況。 </p&

13、gt;<p>　　圖1中垂線流速按對數(shù)形式分布圖 圖1 中垂線流速按拋物線形式分布圖 </p><p>　　3.2 豎向流速拋物線公式分析 </p><p>　　分析U形渠道的中垂線流速資料可以得到，中垂線上的流速與其相對水深之間存在一定的相關(guān)性。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到其拋物線方程的一般形式為： </p><p><b>　　(3) <

14、;/b></p><p>　　式中：為相對流速，為相對水深，為各測點(diǎn)的縱向流速（），為該測點(diǎn)所在測線上的平均流速（）。測線平均流速采用三點(diǎn)法計(jì)算，即，式中、、分別為同一測線上相對水深為，，處的縱向時(shí)均流速值；a、b、c為待定系數(shù)。 </p><p>　　由（3）式可以看出，任一測點(diǎn)的縱向流速都與該測點(diǎn)所在測線的平均流速之間存在著一個(gè)比例系數(shù)。因此只要能確定出公式（3）中相應(yīng)的系數(shù)a、

15、b、c的值，就可以根據(jù)測點(diǎn)的相對位置確定出該系數(shù)，進(jìn)而可以推求出測線的平均流速。 </p><p>　　3.3 系數(shù)a、b、c的確定 </p><p>　　分析實(shí)測流速資料，按公式（3）擬合后發(fā)現(xiàn)，影響系數(shù)a、b、c的主要因素是：測線至邊壁的橫向位置z/B，佛汝德數(shù)，過水?dāng)嗝娴膶捝畋?，以及Z/h。其中，z為測點(diǎn)至中垂線的距離，B過水?dāng)嗝鎸挾?，中垂線水深，Z為測點(diǎn)到邊壁的距離（Z=B/2-z

16、），h為測線水深。 </p><p>　　將系數(shù)a、b、c與無量綱橫向坐標(biāo)Z/h之間的關(guān)系繪制在圖2中。由圖中可知，在Z/h0.7時(shí)，a、b、c的波動(dòng)幅度較大，其中a值在0.4~0.6范圍內(nèi)波動(dòng)，c值在0.65~0.9范圍內(nèi)波動(dòng)，可見，在U形渠道的中心區(qū)，系數(shù)a、b、c與Z/h無明顯相關(guān)關(guān)系。 </p><p>　　(a) 系數(shù)a與Z/h關(guān)系圖 (b) 系數(shù)b與Z/h關(guān)系圖 (c) 系數(shù)c

17、與Z/h關(guān)系圖 </p><p>　　圖2 系數(shù)a、b、c與Z/h關(guān)系圖 </p><p>　　將Z/h=0.7處作為測線所在區(qū)域的劃分點(diǎn)，采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件分別對影響系數(shù)a、b、c的各因素進(jìn)行相關(guān)分析。可以得出：在Z/h<0.7區(qū)域內(nèi)影響系數(shù)a、b、c的主要因素是過水?dāng)嗝鎸捝畋群蚙/h，將實(shí)測資料進(jìn)行擬合，如圖3所示。經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)，Z/h和系數(shù)a、b、c的相關(guān)系數(shù)分別為0.91、

18、0.88和0.82，可以得到在Z/h<0.7區(qū)域內(nèi)其函數(shù)關(guān)系式為： </p><p><b>　　（4） </b></p><p>　　圖3Z/h<0.7時(shí)系數(shù)a、b、c與Z/h擬合圖 </p><p>　　在Z/h>0.7區(qū)域內(nèi)，影響系數(shù)a、b、c的主要因素為佛汝德數(shù)Fr。將實(shí)測資料進(jìn)行擬合，如圖4所示。經(jīng)擬合發(fā)現(xiàn)，系數(shù)a、

19、b、c與佛汝德數(shù)Fr的曲線擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.85、0.86和0.80，相關(guān)性較差。于是得到在滿足緩流條件（Fr0.7區(qū)域內(nèi)，系數(shù)值與佛汝德數(shù)Fr的函數(shù)關(guān)系式為： </p><p><b>　　（5） </b></p><p>　　(a) 系數(shù)a與Fr關(guān)系圖 (b) 系數(shù)b與Fr關(guān)系圖 (c) 系數(shù)c與Fr關(guān)系圖 </p><p>　　圖4

20、Z/h>0.7時(shí)系數(shù)a、b、c與Fr擬合圖 </p><p><b>　　3.4 誤差分析 </b></p><p>　　將U形渠道實(shí)測流速資料，與按流速公式（3）計(jì)算所得的流速值進(jìn)行對比，如圖5所示。由圖中可以看出，在近壁區(qū)域內(nèi)（Z/h0.7），由于公式（5）的變量因次較高，使得在這個(gè)區(qū)域內(nèi)計(jì)算誤差較大，在流量測定時(shí)還應(yīng)考慮實(shí)際情況。 </p>

21、<p>　　圖5 實(shí)測平均流速與計(jì)算平均流速對比 </p><p><b>　　4 結(jié)論 </b></p><p>　　1）U形渠道豎向流速分布規(guī)律可以用二次函數(shù)和對數(shù)函數(shù)描述，按二次函數(shù)描述時(shí)相關(guān)系數(shù)能夠達(dá)到0.95，可以較真實(shí)的反應(yīng)流速分布情況。 </p><p>　　2）對無量綱的相對流速與相對水深進(jìn)行二次函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)，其相關(guān)系

22、數(shù)在0.93以上。系數(shù)a、b、c在Z/h0.7的中心區(qū)內(nèi)，可按公式（5）確定。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 高楊.U形渠道水力特性及測流試驗(yàn)研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué).2011. </p><p>　　[2] 雒天峰,呂宏興.U形渠道豎向流速分布規(guī)律及測流技術(shù)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào).200

23、8,27(1):77-81. </p><p>　　[3] 郝紅科,賀軍奇,雷新利.U形渠道斷面測流及流速分布試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電.2006,(8):113-115. </p><p>　　[4] Coles. D.The law of the wake in the turbulent boundary layer[J]. Fluid Mechanics,1956,(1):