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動最為普遍的形式，河道中的洪水推進(jìn)、水庫泄流、船閘充排水、水庫泄流以及潮波、海浪運動等等都是典型的非恒定流問題。非恒定流的運動要素隨時間而變化，其運動規(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，非恒定流運動的諸多特性還不明確。 當(dāng)前，隨水利開發(fā)建設(shè)步伐的加快，河道非恒定流問題日益突出。上游下泄的非恒定流到底對下游河道的通航條件、港口碼頭的安全運行以及航道的演變會產(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)律及運動特性，不但對于水利學(xué)科的發(fā)展具有重要的理論意義，而且對城市防洪和航運等工程問題的解決也具有重要的實際意義。 由于非恒定流問題本身較為復(fù)雜，為了探索其運動規(guī)律，本文采用理論分析和水槽試驗相結(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系統(tǒng)(5m和28m長變坡玻璃水槽)，由變頻器控制

3、水泵轉(zhuǎn)速產(chǎn)生穩(wěn)定的連續(xù)非恒定流過程，通過電磁流量計監(jiān)測流量、超聲水位計采集水位、激光粒子成像流場儀(PIV)測量流場，并開發(fā)了超聲水位計和PIV流場儀的同步觸發(fā)控制程序，實現(xiàn)了流場和水深的同步測量。 2.在5m長水槽內(nèi)進(jìn)行了光滑明渠內(nèi)的均勻流試驗，利用PIV測量了明渠均勻流粘性底層(y<'+><5)至水面的流速分布。均勻流試驗結(jié)果與現(xiàn)有經(jīng)典紊流理論以及其它經(jīng)典試驗結(jié)果相吻合，說明本試驗系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和較高的測量精度。

4、 3.通過28m水槽內(nèi)的非恒定流試驗，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的流速和微波波速之和。 明渠非恒定流在傳播過程中，當(dāng)時間周期T較大時，波峰水深趨近于H<,Qmax>(非恒定流的最大流量為恒定流時的水深)，波谷趨近于H<,Qmax>(非恒定流的最小流量為恒定流時的水深)；在時間周期T較小時，波峰、波

5、谷水深均趨近于恒定流時平均流量(Q<,min>+Q<,mix>)/2的水深H。 明渠非恒定流傳播過程中，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)。 非恒定流傳播過程中會發(fā)生變形，上升段變短而下降段變長，其變形率t<,u>/T是傳播距離x、周期T和相對流量變幅的函數(shù)。 4.理論分析結(jié)合水槽試驗，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算的值大，而落水階段比用恒定流公式計算的值要?。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)合水槽試驗研究了明渠非恒定流垂線流速。非恒定流在傳播過程中流速分布仍然服從對數(shù)分布，卡門常數(shù)k為0.4左右，積分常數(shù)C與