U形渠道断面测流技术研究Word文档格式.docx
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明渠水流是对具有自由表面的水流在有限尺度的固体边界约束下流动现象的一种概化。
现实中遇到的明渠流动大都是充分发展的紊流边界层流动,其流经的固体边壁均属粗糙床面。
自尼古拉兹发现粗糙管水流的流速分布和阻力系数与光滑区的情况不同以来,蔡克士大用同样方法研究了矩形渠道断面,得到了与尼古拉兹试验结果类似的试验规律。
许多学者也相继进行了大量的试验观测和理论研究,但由于明渠紊流结构的复杂性和过水断面、粗糙形式的多变性,即使简单的明渠流动,对其流动的描述目前还不尽完善,在重要理论问题上尚未得出公认的结论。
主要研究进展有以下方面:
1)光滑床面明渠均匀流对数律流速分布
自1904年Prandtl提出边界层理论后,极大的推动了流体力学的发展。
1938年,Kenlegen将平板边界层的研究成果引用到明渠水流,提出了充分发展的明槽均匀紊流时均流速分布可用对数表达式表示以来,不同研究者根据各自的试验数据对公式中的卡门常数和积分常数A进行修改,通过实测数据拟合提出了明渠流动对数律流速分布公式
其中,,A=1/k。
为摩阻流速,为运动粘度,k为卡门常数,B为一积分常数。
此后许多学者通过实验验证了这一假设,对流速公式中两个常数k、B的取值范围提出了不同的看法。
如Steffler和Rajaratnam(1985)[2],Nezu和Rodi(1986)[3],M.SalihKirkgoz(1989)[4],Cardoso和Graf(1989)[5],董曾南和丁元(1989)[6],Tominaga和Nezu(1992)[7],李新宇、董曾南和陈长植(1995)[8],何建京(2003)[9]用激光测速仪对光滑床面和粗糙床面的矩形明渠进行的试验研究,不同学者给出的k和B略有差异:
Nezu和Rodik=0.412±
0.011B=5.29±
0.47
Grafk=0.401±
0.016B=5.10±
0.96
董曾南等k=0.376±
0.04B=5.49±
0.40
Steffleretalk=0.4B=5.5
何建京k=0.346±
0.044B=5.96±
1.14
2)用尾流律修正的对数律公式研究
自1956年Coles[18]为解释紊流边界层流动的发展过程提出尾流函数以来,许多学者将其应用于明渠时均流速分布的研究。
Coles提出二维的不可压缩紊流边界层的流速公式可以表示为对数率和尾流率的线性组合,尾流函数的一般表达式为:
Coles指出,尾流函数具有在流动区域的边壁区的分离点或分离流与边壁重新接触点的特征,代表大尺度的漩涡结构,是惯性约束的结果。
在重新接触点,边壁切应力为零,水流由于惯性的作用而在局部呈纯尾流状态;
在重新接触点以后,水流受到边壁的约束,它必须满足在边壁上的无滑移条件和牛顿阻力规律,在流动中还要受到粘滞力的约束;
在边界层充分发展以后,如均匀恒定的明渠流动,则只受边壁阻力和粘滞力的约束,不再受惯性的影响,即尾流的作用的消失。
迄今为止,对尾流函数中Π取值的研究虽然已有大量的实验结果,但是其取值范围或计算公式都还没有基本的一致的结论。
王殿常、王兴奎和李丹勋(1998)[19]对对数律和尾流律公式进行了对比认为:
对于明渠水流的时均流速分布公式,对数律公式需要由实验确定两个参数k和B,尾流律则需由实验确定三个参数k、B和Π,而Π又没有适当的方法可以预测。
大量的实验结果表明,因量测精度、理论床面高度、边壁不平整等因素的影响,统计回归计算的k值变化很大,并不是接近0.4的常数值。
且Coles提出的尾流律是用于描述在边界层的发展过程中由边界附近有小扰动时(如在光滑壁面上设小坎而产生分离流及向下游流动重新接触壁面的流区)的流速分布,尾流律将其直接应用于明渠流的外区流速分布似缺乏基本的论证。
3)明渠指数律流速分布的研究
早在20世纪30年代,Karman和Prandtl根据因次分析原理,分别提出了如下形式的明渠指数流速分布公式:
式中,y为测点距离床面的距离,H为渠道水深,um为水面流速。
另一种常用的指数律公式常用于描述光滑床面明渠均匀流的流速分布,它的一般形式为[12]:
式中:
c为常系数,n为指数,其余符号同上。
布拉修斯利用它得到光滑管的阻力系数λ。
董曾南和丁元(1989)[6]通过对不同宽深比的光滑床面明渠紊流进行了试验,提出时均流速分布可表示成指数公式:
Barenblatt.G.I(1993)[21][22]等人通过理论分析,认为光滑床面明渠流速分布的指数形式和对数形式分别基于不同的两类假设,即不完全自相似假设和完全自相似假设。
对数律所基于的假设为紊流主流区的流速梯度与分子粘性无关,指数律所基于的假设为紊流主流区的流速梯度与分子粘性呈渐进指数的关系。
由于不完全自相似假设的相似参数不可能事先通过因次分析得到,因此不完全自相似假设的相似参数的定量表达非常困难,对于光滑壁面紊流的流动只受到雷诺数的影响,Barenblatt.G.I通过理论研究后,采用小参数作为指数,并给出了光滑固壁紊流的指数律公式:
肖勇、金忠青(1997)[23]基于相似理论中的不完全相似假设,研究了粗糙区紊流流速分布的结构形式,通过对尼古拉兹粗糙壁面水流实验资料的分析,进而给出了固壁粗糙区紊流指数型流速分布公式。
对于粗糙区紊流,流动受到相对粗糙度的影响,因此应选取包含相对粗糙度的小参数作为指数。
文献给出了粗糙壁面紊流流速分布的指数律公式为:
式中R*为粗糙雷诺数,R*=u*ks/υ。
Djenidi.L,Dubief.Y和AmtoIlia.R.A(1997)[24]通过实验研究,认为:
对于光滑壁面附近小雷诺数的紊流边界层,因对数律公式常忽略流体黏度的影响,对数律区域很小或者不存在,而指数律公式却很适用。
对指数律速度分布的研究可以很准确的计算摩阻流速。
肖勇、金忠青(1999)[25]基于相似理论中的不完全相似假设,通过对壁面紊流结构的分析,给出了固壁紊流流速分布的统一指数公式。
Bergstrom.D.J和Tachie.M.F(2001)[26]通过实验对于小雷诺数的光滑床面明渠的边界层内流动进行了研究,认为指数律流速分布公式比常用的对数律流速分布公式能更好的描述紊流速度分布,指数律公式同时也适用于粗糙壁面的小雷诺数边界层流动。
雒天蜂,吕宏兴等(2006)[29]借助U形渠道试脸,利用指数公式对实测流速值进行分析。
结果表明,指数公式可以很好地表示U形渠道横向流速分布规律。
王二平,金辉,关靖(2007)[36]通过对明渠流速的水槽试验研究,建立了矩形断面明渠沿垂线流速的抛物线分布公式和横向平均流速的乘幂函数分布公式,给出了相关系数的确定方法。
孜拉吾东,孙东坡等(2008)[34]在新疆吐鲁番地区梯拱形断面(即非标准U形断面)的干支渠上进行流量系统观测资料的统计分析,借助二元明渠紊流掺长理论,建立了梯拱形渠道流速横向分布公式。
吕宏兴(2001)[37]根据紊流流速的指数分布律,假设U形渠道过水断面上沿任意水平方向的流速为指数分布,并提出过水断面水平分层的方法,结合推导出的流速指数公式及流速一面积法,初步给出了U形渠道流量计算公式,但由于流速分布的指数确定需要通过大量试验研究得,因此没有解决流速分布律指数值的确定问题。
以上对时均流速分布的研究表明对数律公式得到了公认。
但明渠水流在各种情况下,流速分布公式是否可以用统一的公式表达,还有待进一步研究。
我国灌区普遍采用的非标准U形渠道过水断面分别由底部圆弧弓形和上部梯形两种复合几何形状构成,断面结构、水力要素与矩形有较大差异,其流速分布规律也必然有所不同。
以上国内外试验分析结论大多针对矩形断面渠道,分析结果是否适用于非标准U形断面明渠,还鲜有研究结果。
综观以上研究现状,有关U形渠道流速分布规律的研究明显薄弱和不足,而建立在流速分布规律基础之上的断面测流技术理论研究同样少有涉及,这与U形渠道已经在我国广泛应用以及灌区流速仪断面测流仍为渠道输水主要计量手段的现状极不协调。
为此,加强对该领域的应用基础研究,将为解决以流速分布规律为基础的断面测流技术奠定理论基础,对灌区水情信息的现代化管理和促进节水农业发展具有重要意义。
主要参考文献
[1]陕西省水利厅编,U形渠道[M],北京,水利电力出版社,1986.
[2]Steffler.P.M,Rajaratnam.N.andPeterson.A.W.LDVMeasurementsInOpenChannel[J],JournalofHydraulicEngineering,vol.111,No.1,1985:
119~129.
[3]NezuI.andRodiW.Openchannelflowmeasurementswitha1aserDoppleranemometer[J],J.ofHydraulicEngineering,vol.112,No.5,1986:
335~355.
[4]M.SalihKirkgoz.Turbulentvelocityprofilesforsmoothandroughopenchannelflow[J],J.ofHydraulicEngineering,vol.115,No.11,1989:
1543~1561.
[5]CardosoAH.GrafWH.andGustG.Uniformflowinasmoothopenchannel[J].J.ofHydraulicResearch,vol.27,No.5,1989:
603~616.
[6]董曾南,丁元.光滑壁面明渠均匀紊流水力特性[J].中国科学,1989,A辑,vol.1l:
1208~1218.
[7]AkihiroTominagaandIehisaNezu.Velocityprofilesinsteepopen-channelflows[J].J.ofHydraulicEngineering,vol.118,No.1,1992:
73~90.
[8]DongZennan,LiXinyu,ChenChangzhi.Turbulentflowsinsmooth-wallopenchannelswithdifferentslope[J].J.ofHydraulicResearch,Vol.33.No.3.1995:
333~347.
[9]何建京.明渠非均匀流糙率系数及水力特性研究[D].博士学位论文.河海大学.2003.
[10]A.H.Cardoso,W.H.Graf,G.Gust.Steadygraduallyacceleratingflowinasmoothopenchannel.[J].J.ofHydraulicResearch,vol.29.No
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