平底板急流區(qū)下表面脈動(dòng)壓力試驗(yàn)研究

1、收稿日期：20151012基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（5140915551179119）；山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J14LG08）作者簡介:李樹寧(1985)，女，山東濰坊人，博士，講師，主要從事水工水力學(xué)研究。Email:平底板急流區(qū)下表面脈動(dòng)壓力試驗(yàn)研究李樹寧1，2，楊敏2(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)摘要：要：對(duì)不同F(xiàn)r的平底板

2、急流區(qū)和水躍區(qū)脈動(dòng)壓力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析比較了平底板急流區(qū)和水躍區(qū)脈動(dòng)壓力的強(qiáng)度、概率分布規(guī)律、互相關(guān)特性以及頻譜特性。結(jié)果表明：在相同的水力條件下，水躍區(qū)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)大約是急流區(qū)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)的1.36~5.75倍；急流區(qū)脈動(dòng)壓力幅值和水躍區(qū)脈動(dòng)壓力幅值基本都符合正態(tài)分布，且急流區(qū)脈動(dòng)壓力幅值較水躍區(qū)脈動(dòng)壓力幅值具有更好的正態(tài)性表現(xiàn)；急流區(qū)底板下表面的脈動(dòng)壓力在縫隙中傳播規(guī)律與水躍區(qū)不同，急流區(qū)脈動(dòng)壓力在縫隙中的傳遞不符合瞬變

3、流理論；急流區(qū)內(nèi)脈動(dòng)能量的頻帶較寬，研究成果可為大、中型水工建筑物中的脈動(dòng)壓力設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：水利水電工程；模型試驗(yàn)；脈動(dòng)壓力；急流區(qū)；水躍區(qū)中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：TV698.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AExperimentalInvestigationofFluctuatingPressureActingontheUndersurfaceoftheFlatFlointheJetRegionLIShuning12Y

4、ANGMin2(1.ShongAgriculturalUniversityWaterConservancyCivilEngineeringCollegesTaianShong271018China2.StateKeyLabatyofHydraulicEngineeringSimulationSafetyTianjinUniversityTianjin300072China)Abstract:Experimentalresearchwas

5、conductedonfluctuatingpressureacteristicsactingontheundersurfaceoftheflatflobothinthejetregionthejumpregion.Theintensitytheprobabilityacteristicsthecrosscrelationacteristicsthespectrumacteristicsoffluctuatingpressurearew

6、ereemphaticallyanalyzedcompared.InthecaseofthesameFroudenumberfluctuatingpressureintensitycoefficientinthejumpregionwas1.36~5.75timeshigherthanthatinthejetregion.Fluctuatingpressureamplitudebothinthejetregionthejumpregio

7、nwasbasicallyaccdedwithnmaldistributionfluctuatingpressureamplitudeinthejetregionhadbetternmalityperfmance.Fluctuationpressurepropagationinfissuresinthejetregionwasdifferentfrominthejetregionwhichdidnotconfmtothetheyoftr

8、ansientflow.Pressurefluctuationenergyfrequencybinthejetregionwaswiderthanthatinthejumpregion.Keywds:hydraulichydroelectricengineeringmodeltestfluctuatingpressurejetregionjumpregion0研究背景研究背景水流脈動(dòng)壓力與泄水建筑物的振動(dòng)破壞、空蝕破壞以及河床的沖刷等工

9、程問題有著非常密切的聯(lián)系，是工程技術(shù)中十分關(guān)心的一個(gè)物理量。而隨著近年來高水頭水工建筑物的大量興建，水流壓力脈3，4為縫隙層中的測(cè)點(diǎn)?；诔鏊跀嗝娴腇r數(shù)，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)不同的工況，其對(duì)應(yīng)的Fr數(shù)分別為4.5，5.0，5.5和6.0。每個(gè)工況的Fr數(shù)均大于4.5，屬于穩(wěn)定水躍。2脈動(dòng)壓力強(qiáng)度分析脈動(dòng)壓力強(qiáng)度分析根據(jù)水力學(xué)定義“壓力系數(shù)”的方法，來定義脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)Kp為：(1)2p5.0KVp???式中：p為脈動(dòng)壓力幅值的均方差，v為

10、出水口斷面的平均流速。將各測(cè)點(diǎn)的位置用板塊長度進(jìn)行無量綱化，即得測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置xl，其中x為測(cè)點(diǎn)到板塊首端縫口的距離，l為板塊長度。以相對(duì)位置為橫坐標(biāo)，以脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)為縱坐標(biāo)，如圖2所示，給出了不同流態(tài)情況下不同工況的各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)。圖2的試驗(yàn)結(jié)果表明：急流脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)范圍在0.04~0.14之間，而水躍區(qū)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)范圍在0.17~0.36之間，兩者沿程分布規(guī)律大體一致，都是沿程衰減，前段衰減較快，后段衰減平緩；水躍區(qū)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)

11、隨著Fr的增大先快速增大后趨于平緩，急流脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)隨著Fr的增大略微增大。在相同的工況下，水躍區(qū)脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)大約是急流脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)1.36~5.75倍。究其原因，水躍區(qū)脈動(dòng)壓力屬于強(qiáng)紊動(dòng)水流，是由大尺度的渦旋紊動(dòng)引起的；而急流脈動(dòng)壓力是由小尺度的渦旋紊動(dòng)引起的。3概率分布規(guī)律概率分布規(guī)律概率密度分布是脈動(dòng)壓力幅值的一個(gè)重要特性，研究概率密度分布關(guān)鍵問題在于研究其分布是否為正態(tài)分布。一般地，正態(tài)性的驗(yàn)證，通常采用的方法為偏度峰度法，即通