全动床复式河槽漫滩水流流速运动规律的研究Word下载.docx
- 文档编号:20496289
- 上传时间:2023-01-23
- 格式:DOCX
- 页数:42
- 大小:1.04MB
全动床复式河槽漫滩水流流速运动规律的研究Word下载.docx
《全动床复式河槽漫滩水流流速运动规律的研究Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《全动床复式河槽漫滩水流流速运动规律的研究Word下载.docx(42页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
紊动能。
Experimentalstudyonstreamcharacteristicsincompoundchannelwithtotallymobilebedinoverbankflows.
WaterResourcesandHydropowerEngineering
Student:
HanJunAdvisor:
YangKejun
Abstract:
Usually,acompoundchanneliscomposedofthemainchannelandfloodlainsexistsinnaturalriverswidely,inalluvialstreams.Itdiffersalotfromasinglechannelwhichwehavelearned.Especially,whenfloodisout-of-bank,thereexistsintensivemomentuminterchargeontheinterfacebetweenmainchannelandfloodplain,whichmakelotsofdifferenceinthedistributedofthevelocityofflow,renoldsstress;
theturbulentstrengthandtheturbulentenergycomperaedwithsinglechannel.Thepaperexperimentallystudiesthestreamcharacteristicsinoverbankfiowsinacompoundchannelwithtotallymobiebedcomposedofnonuniformsediment,includingthedistributedofthevelocityofflow,renoldsstress;
theturbulentstrengthandtheturbulentenergy.Theexperimentalresultsshowthat,thereactuallyexistsmomentuminterchargebetweenmainchannelandfloodplainandinthisregionthemaximumvelocityisusuallynotclosetowatersurface,howevertheregionplaysitseffectivenessinalimitarea.Thedistributionsofrenoldsstress,theturbulentstrengthandtheturbulentenergyhavetheirowncoherenceandcrosscorrelation,butthereisplentyofdifferencebetweenmainchannelandthebottomlandboundary.
Keywords:
compoundchannel;
flumetest;
thedistributedofthevelocityofflow;
renoldsstress;
theturbulentstrength;
theturbulentenergy.
目录
1绪论1
1.1应用前景及研究意义1
1.2.复式河槽的研究概况1
1.3复式河槽水流特性研究2
1.4紊流的特性研究3
1.4.1脉动3
1.4.2紊动强度3
1.4.3紊动的附加切应力4
1.4.4紊流中的粘性底层4
1.4.5紊动使流速分布均匀化4
1.5河流泥沙研究4
1.5.1水流与泥沙4
1.5.2挟沙水流特性5
1.5.3泥沙起动研究6
1.6本文研究的主要问题及章节安排8
参考文献9
2.试验概况10
2.1实验室概况10
2.2试验水槽概况及数据测量10
2.2.1试验水槽概况10
2.2.2试验数据测量11
2.3试验过程16
3复式河槽漫滩水流特性试验研究17
3.1漫滩水流流速分布的试验研究17
3.1.1漫滩水流流速沿垂线y的分布17
3.1.2选取y(121,151,181)垂线作为特征垂线的流速分布研究26
3.1.3小结28
3.2复式河槽漫滩水流紊动特性的试验研究28
3.2.1主槽区x向紊动强度研究29
3.2.2主槽区xx向的雷诺应力研究31
3.2.3主槽区的紊动能33
3.2.4主槽区紊动强度,雷诺应力和紊动能与断面主槽垂线流速分布联系35
3.3.5滩槽交互区垂线的紊动强度及雷诺应力和紊动能分布探究。
35
3.3.6小结38
3.3.漫滩水流特征垂线流速与水流紊动特性的联系39
4.总结及试验研究展望45
致谢46
1绪论
1.1应用前景及研究意义
我国多数平原河流存在十分频繁和严重的洪水灾害现象,如长江、黄河下游、淮河、松花江干流。
这些河流都是明显具有滩地和主槽的复式河槽,横断面呈复杂的复式断面形态。
非洪水季节,河道经常处于小流量状态,主要依靠主槽过流;
洪水期间水流漫滩后,河道依靠主槽和滩地共同行洪。
由于种种自然原因,加上人为因素(如滥砍滥伐等)的不利影响,造成许多河道淤积严重,左右摆动不定,河床宽窄不均,河床甚浅,洪枯流量变幅大,容易形成宽、浅、散、弯的典型平原游荡型河流,容易形成小水漫滩,行洪能力较差,严重威胁人民的生命财产安全。
对于该类河道,人们开始探索采用复式断面整治河道,采取裁弯、分洪等工程措施进行治理。
继续加强复式河槽漫滩水流水沙运动规律的研究,对我国防洪减灾和河道治理具有重要现实意义。
但是,复式断面滩槽的水流流动看似简单,实际上是一个复杂的流体力学问题,主要是因为主槽和滩地两股不同流速的水流相互影响而形成这一复杂的流动现象。
另外对复式河槽漫滩水流的研究还在水资源规划、滩地利用、河道整治等方面都会发挥不可估量的作用。
总之研究复式河槽漫滩水流水沙运动规律,弄清其复杂的水流结构不仅在理论上有重要的学术研究价值,而且在工程实践中极具现实指导意义。
对复式河槽水沙运动的研究在国内外均属河流地貌学与泥沙科学交叉的前沿课题。
经过几十年的研究,已取得大量研究成果,其中英国伯明翰大学Knihgt教授等人的研究工作最具有代表性。
Knight教授等的系列研究包括顺直复式河槽,弯曲复式河槽,滩槽斜交复式河槽以及主槽为动床的复式河槽的水沙复杂行为研究[1]。
1.2.复式河槽的研究概况
我们知道天然河道大都是呈现复式断面形态(如下页图示)。
图1—1复式河槽的断面形态
水流漫滩后过水能力的减少与防汛问题密切相关。
因此,问题早已引起人们的重视,复式断面的水力学恃性问题的研究工作,在四十年代已经开展。
但过去的工作都立足于建立经验关系计算式,没有对产生这些特性的原因横向流速分布问题进行分析,因而所求得的经验公式在实际应用时,带有很大的局限性。
最早研究这一现象的是Г.Б.热列兹那可夫[2],他于1947年在室外河道试验场中作了宽为5.2米的大模型试验并得出:
水流漫滩后,受滩地水流的制约,主槽水面的最大流速和平均流速不但不随水深的增加而增加,反而显著地降低,至一定的漫滩水深时,主槽流速达最小;
此后又随水深的增加而增加,水位流速关系成S状;
模型中出现的现象在天然河道中也发现。
随着技术与理论的发展,对复式河槽的研究也更加深入,研究了复式河槽水流阻力、复式河槽动量交换机理、复式河槽过流能力、植被作用下的复式河槽、复式河槽泥沙输移研究等,取得了丰硕成果。
但一般来讲:
研究顺直河槽的多,研究弯曲河槽的少;
研究无植树作用的多,研究有植被作用的少;
研究单一植物作用的多,研究不同植物作用的少;
研究均匀流的多,研究非均匀流的少;
研究定床的多,研究动床的少;
研究部分动床的多,研究全动床的少;
研究均匀沙的多,研究非均匀沙的少;
定性描述的多,定量分析的少;
现象表述的多,力学分析的少[1]。
1.3复式河槽水流特性研究
本人在本科阶段所接触到的大都是单一河槽的计算,而且在理论计算上复式河槽与单一河槽不尽相同,复式河槽在洪水漫滩后,由于断面形态和床面糙率的突然改变,滩槽交界面产生一系列的立轴漩涡(Knight&
Haned,1984;
Myers,1987;
Knight&
Shiono,1990;
Knihgt,2005),致使滩槽交互区水流结构和水流阻力变得十分复杂,水流表现出强烈的三维特性(Knight&
shiono,1996;
Knight,1999;
刘兴年&
Knight,2000)[3]。
在实际应用上大多数天然河流和人工运渠具有卞槽和滩地的复式河槽,水流漫滩以后,也形成复式河槽流动。
于是,本人先就复式河槽水流特性进行研究,以利器善事。
对复式断面河道水流特性的研究成果国内外有很多。
复式断面河道水流漫滩后,水流流态的变化、能量、质量的交换,特别是在滩槽交界面处的特征是研究的重点。
如AkhirioTmoingaa[4]曾做过精细测量,研究其水流特征;
Rajaraatnam等人[5]研究了滩槽交界面处两股水流相互作用的机制,提出了动量交换的概念;
Kulght.D.w.等人[6]研究了边界剪切应力的分布规律。
Myer[7]、Gkiely[8]等人均深入研究了滩槽水流的相互影响的机制与作用。
Rhdoes和Knight[9]研究得出,在宽浅矩形断面河道中,有次生流存在,影响区域约为渠宽的15%。
Myers[10],Knight和Demetri[11]等通过实测边界的切应力分布和将动量方程应用于主槽和滩地结合带,对主槽与滩地的动量交换机理进行了研究,指出滩槽交界面上的切应力(称为表观切应力)要比固体周界的平均切应力要大许多倍。
庞炳东[12]用流体力学的基本理论,论证了复式断面河道洪水的水流特性,提出了漫滩后主槽过流能力降低是由于主槽能量耗散较大。
胡春宏和吉祖稳[13]在试验的基础上,分析了复式断面边界剪切应力的分布特征,建立了滩槽平均剪切应力与水深的关系,为研究的方便,将整个复式断面划分为四个区:
主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区和边壁区。
1.4紊流的特性研究
1.4.1脉动
紊流的基本特征是许多大小不同的涡体相互混掺着前进,它们的位置、形态、流速都在时刻不停的变化着。
这些连续不停的大小不一的涡体在通过紊流中某一定点时,此定点的瞬时运动要素随时间就要发生波动,即为运动要素的脉动。
要研究紊流的水流运动规律,就要建立运动要素时间平均的概念。
比如脉动流速的提出就与运动要素时间平均概念有关。
瞬时流速与时间平均流速之差叫做脉动流速
,即
。
由此,我们可把瞬时流速看成时间平均流速与脉动流速组成。
从概率学上来见讲,脉动流速具有随机性,脉动值
的时间平均总是等于零的。
1.4.2紊动强度
在研究液体的运动规律时,常用脉动流速的均方根值
来表示脉动幅度的大小,即
脉动流速的均方根值
与时均特征流速
之比就称为紊动强度Tsi,即Tsi=
1.4.3紊动的附加切应力
紊流运动包括层间相对运动及横向质点交换,引入时间平均的该概念,可以把计算附加切应力的公式用普朗特动量传递学说来推导。
这一学说是假设液体质点在横向脉动运移过程中瞬时流速保持不变从而动量不变,而到达新位置时动量突然改变,与新位置上原有液体质点所具有的动量一致,液体质量的变化就产生附加切应力。
据此原理推导的附加切应力
公式为:
因流层间液体质点随时互相混掺,脉动流速大小及方向瞬时变化,所以有脉动流速产生的附加切应力以时间平均值表示的公式为:
为了使紊流切应力以正值的形式出现,常在上式中等号右边加一负号,即
。
1.4.4紊流中的粘性底层
紊流中靠近固体边界附近的地方,脉动流速小,由脉动流速产生的附加切应力也小,流速梯度却很大,故粘滞切应力起主导作用,故流态基本上属层流。
即紊流中并不是整个液流都是紊流,在紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在,该流层即粘性底层。
在粘性底层以外的液流才是紊流。
在两液流之间,还有一层极薄的过渡层,但实际意义不大。
由粘性底层的厚度
公式
知:
粘性底层的厚度随雷诺数
的增加而减小。
1.4.5紊动使流速分布均匀化
紊流中由于液体质点相互混掺互相碰撞,产生了液体内部各质点间的动量传递,动量大的质点将动量传递给动量小的质点,相反的,动量小的质点影响动量大的质点,造成断面流速分布均匀化。
紊流时,过水断面上的流速是按对数规律分布的,比层流时按抛物线分布时均匀得多,这也正是说明,紊流时由于液体质点的混掺作用,动量发生交换,使流速分布均匀。
1.5河流泥沙研究
1.5.1水流与泥沙
虽然,本人此次试验重点在流速分布与水流紊动之上,但是所做试验是挟沙水流,故在此探讨目前河流泥沙所研究的内容。
在水流与河床交互作用的过程中,许多情况下,泥沙运动起着纽带作用。
换句话说,水流与河床的交互作用,在许多情况下,要通过泥沙运动体现出来。
例如,在一种情况下,通过泥沙的淤积,使河床抢高;
而在另一种情况下,通过泥沙的冲刷,使河床降低。
事实上,泥沙有时可能是河床的组成部分、而有时又是河水(浑水)的组成部分;
在运动过程中、从矛盾的一个方面转化到矛盾的另一方面。
水与泥沙的也具有不同的特性:
水是具有粘滞性的牛顿流体,一般可以作均质的连续介质考虑。
水流中的泥沙一般为散较群体,在运动过程中.也常被视作连续介质。
但如果沙粒在水流中的含量过低,不能作散粒群体看待,只能作散粒个体看待时,自然也就失去了作为连续介质考虑的可能性。
不接受亲动扩散作用的散粒个体沙,在紊流中的运动迹线与接受家动扩散作用的散较体泥沙在水流中的运动迹线完全是两回事。
水与泥沙的上述基本特性,决定了由水与泥沙结合组成的两相流,在运动过程中,既具有受力学支配的必然性,又具有受统计理论支配的随机性(或称偶然性,机遇性,或然性)。
因此,在解决泥沙运动基本规律的时候,主要的理论工具是力学与统计理论。
这是就主要研究对象面言的。
至于有所关联的学科,那是比较多的,如:
高含抄水流将涉及电化学和非牛顿液体,泥沙环境保护问题将涉及金属学等等。
对于泥沙运动的随机性,在开始研究泥沙运动状态的时候,随机性被忽略,爱因斯坦(H.A.Einstein)于1936年首先提出了这个运动特性,在泥沙起动及推移质运动过程中,强调了随机性。
他在处理泥沙起动流速及推移质运动中,采取了—系列的假设(如;
平床,拖曳力不起作用,沙粒运动形式限于跃穆和沿垂线向上起跳,等等),令人怀疑的是,这样得到的推移质输沙率公式.是否还残存若干理论气息。
但是,他发现并强调重视泥沙运动的随机性这一点,是值得称道的。
我国韩其为等在理论与实践结合中发展了统计理论在泥沙运动中的应用范围,企图使之逐步成为泥沙运动各个主要方面统一的理论体系。
1.5.2挟沙水流特性
对挟沙水流主要特性,一是挟沙水流的二相性,在前言中已经提到,此处再提,说明二相性是其最基本的特性。
河流一般挟带泥沙,在任何时段中完全不携挟泥沙的天然河流几乎没有。
水系比重近于1.00,具有粘滞性和微弱的压缩性,可以视为连续介质的液体。
泥沙系比重大于1(常取2.65作为河流泥沙比重的代表值),除特殊情况外,不能视力连续介质的疏散颖粒群体。
因此,挟带泥沙的河道水流属于二相流。
与普通水力学中所研讨的仅以水为对象的一相流比较起来,要复杂得多,并具有它的本质的特点。
就重力来说,在—相明渠水流中,它经常起看克服阻力而促功的作用,促成、保持或助长水流的运动状态。
在水沙二相河道水流中,从水这一相来看,重力的促动作用仍然是明显的;
从泥沙这一相来看,问题却不是这样简单。
一方面,从总体着眼,泥沙从上游向下游运动,内部的运动依据仍在于它本身所受的趋下的一部分重力,即沿水流方向的重力分力;
但从运动的局部过程看,作用于泥沙的另一部分重力,即沿垂线向下的重力分力,却常常不是以促动形式出现,而是以抗动的形式出现。
虽然在某些特殊情况下,如水沙异重流、高台沙水流中的某些状态等,重力完全以促动形式出现的状态也是有的。
就惯性力来说,密度是决定物质惯性的重要因素。
在水沙二相流中,由于水和泥沙的密度差别较大,在同样的外力作用下,二者将产生不同的加速度。
反之、在同样的加速或减速过程中,二者将产生不同的抗拒力。
因此,在河道水流中所经常具有的各式各样的规模不同、强度各异的加速或减速的运动过程中,水与泥沙常常不能保持彼此协调的同步状态,从而显示出运动外部形态及内部性质的复条件,给深入了解问题造成困难。
在水文资料中的水沙错峰,在河道演变中的洲滩演化滞后于水流条件的交易,便是经常碰到的问题。
如果在分析处理中失察,就容易导致误解。
二是挟沙水流的不桓定性,挟沙水流的不恒定性是仅次于二相性的另一重要特性。
主要表现在两个方面:
一是来水来沙情况随时间的推移而变异;
二是河床经常处于演变之中。
这两个方面的变化是彼此联系的。
水流创造河床,适应河床,改造河床;
河床改变水流,适应水流,受水流的改造。
形成二者相互依存,相互制约,相互促使变化发展的关系。
因此,来水来沙情况的不恒定性,必不可免地要引起河床时面剧烈、时而和缓的变化,呈现出与水沙情况相应面滞后的不恒定性。
与河道中的水流一样,河床也经常处于运动变化之中。
就地区说,这种运动变化的局部强度以河源区土质沟堑员为剧烈;
面单项变化规模,则以冲积河流下游的情况最为盛大。
就时期来说,不论上、中、下游,都以洪水季节的暴雨期的变化最大。
1.5.3泥沙起动研究
设想在具有一定泥沙组成的床面上,逐渐增加水流强度,直到使床面泥沙(简称床沙)由静止转入运动,这种现象称为泥沙的起动,相应的临界水流条件称为泥沙的起动条件。
常见的表达起动条件的形式有两种,起动流速或起动拖曳力。
泥沙起动最重要的特性就是随机性,前文已经论述了挟沙水流是力学与统计学的辩证统一,上一节是对泥沙起动的物理力学的探讨,但是不能忽略起动的随机性。
当水流强度达到一定程度以后、河床上的泥沙颗粒开始脱离静止而运动。
由于沙粒形状及沙粒在群体中的位置都是随机变量,即使是粒径相同的均匀沙,床面不同部位的泥沙的瞬时起动底速成起动拖曳力为随机变量。
如果是粒径不同的非均匀沙,出现在床面不同部位的泥沙粒径也是随机变量,与之相应的瞬时起动底速或拖虫力更为随机变量。
与此同时由于流速或拖曳力脉动影响,瞬时作用底速或拖曳力本身也是随机变量。
因此,当着眼一颗特定泥沙的起动时,由于流速或拖曳力的脉动起动将具有随机性,当着眼于床面多颗泥沙的起动时,则除流速或拖曳力脉动之外,还受沙粒大小,形状及位置变异的影响,起动更具有随机性。
基于以上认识,可以将泥沙起动看成一种随机现象。
对于特定组成的床沙(包括均匀沙)来说,不存在确定的水流条件(水深和时均流速或拖曳力)可以使床面泥沙在同一时刻全部由静止状态转入运动状态。
在通常水力、泥沙条件下,床沙可能处于三种状态。
第一种是,流速或拖曳力甚小,粒径较粗,床沙全部处于静止状态。
第二种是,流速或拖曳力甚大,粒径较细,床沙(表层)全部处于运动状态。
这是两种极端情况。
第三种是介于上述两种极端情况之间的状态。
这就是床面上总是这里或那里有一些沙粒由静止转入运动,或继续处于静止状态;
这里或那里有一些沙粒由运动转为静止,或继续处于运动状态。
存在的差别只是,运动或静止的沙粒在数量对比上不同。
流速或拖电力大而粒径细时,运动的泥沙较客,流速或拖曳力小而粒径粗时,静止的泥沙较多而已。
明确在怎样的水流条件下某种性状的泥沙能够起动,也是河流泥沙动力学中一个很重要的问题。
例如,当我们研究拦河坝下游河床冲刷问题的时候,就必须先弄清楚泥沙的起动条件。
如果组成河床的泥沙很粗,实际的水流情况末达到足以使之起动的条件,就不会发生冲刷;
或者河床由粗细不匀的泥沙和砾石组成,细的能够起动,粗的不能够起动,则细的将被冲走,租的将留下来,逐渐形成一个覆盖层,这个覆盖层达到一定厚度以后,足以保护下层的泥沙不再被冲走,冲刷便停止;
或者河床的组成比较细,床沙能够全部起动,则冲刷现象将迅速发生和发展,但当冲刷达到一定程度后,水保增加,流速减低,水流条件不足以使泥沙继续起动,这时冲刷现象便会自动停止。
要对上面所说的这些现象进行定性和定量的探讨,就必须把泥沙的起动标准弄清楚。
关于泥沙的起动标准很多,Kramer在1935年针对非均匀沙,把推移质运动分为4个阶段,即无泥沙运动、弱动、中动及普动。
这只是一个定性标准,主观性较强,操作中随意性大,其实用性受到了限制。
因而一些学者对定量标准从不同角度进行了研究。
其中,以窦国仁为代表提出了起动概率标准。
在考虑了水流的脉动,提出了与Kramer推移质泥沙运动3种状态相应的起动概率:
即个别起动、少量起动及大量起动。
故可以取某一定常的起动概率作为判断泥沙起动的标准。
但此标准未考虑泥沙颗粒在床面相对位置对起动标准的影响。
根据何文社、方铎等[14]研究,所列的泥沙起动标准有:
1.颗数计的标准
亚林将
作为泥沙起动的标准。
其中m为在时间t内从河床面积A范围内冲刷他移的泥沙颗粒数。
对于各种粒径的泥沙应该取一个统一的运动强度ε,因而,在进行两种密度相同,粒径相差10倍的起动试验时,为使两组试验的ε值相同,粒径较粗的那一组实验的m/At必须较粒径较细的一组小102.5倍。
冷魁以个别起动状态为起动临界条件,据此提出了均匀沙和非均匀沙以个别颗粒数计的判别标准。
但此标准同样没有考虑颗粒在床面的相对位置对起动的影响。
2.输沙率标准
美国水道试验站曾规定以推移质输沙率达到14cm3/m·
min作为起动标准;
韩其为等提出的标准内涵与此相似,对水槽、野外沙质及卵石河床分别采用不同的无因次输沙率参数来作为起动标准。
Taylor等为代表于1971年提出
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 全动床 复式 河槽 水流 流速 运动 规律 研究