当前位置：文档之家 › 光滑壁面明渠摩阻流速研究

光滑壁面明渠摩阻流速研究

  • 格式：pdf
  • 大小：235.57 KB
  • 文档页数：5

陈小芳 河海大学环境科学与工程学院，江苏南京（210098） E-mail：yuhan8210@163.com摘要：在分析了用Preston管量测的实验资料基础上，本文探讨了常用计算摩阻流速公式在均匀流和非均匀流情况下的适用性，并验证了用Preston管法测量摩阻流速的可靠性，得出在计算摩阻流速时，用水力半径替代水深结果更准确，其主要是考虑了边壁对水流的影响。 关键词：明渠；Preston管；摩阻流速；非均匀流

1引言

河流、渠道中的流动都为明渠水流，明渠水流按其流线是否为相互平行的直线，可以划分为均匀流和非均匀流。自然界中的明渠水流很少有严格意义上的均匀流，绝大多数为非均匀流。摩阻流速在明渠流中是一个十分重要的参数。例如：它是决定明渠流中混合系数的主要因素，可以预测污染物在明渠中的传播速度。它直接或间接的用在许多流动参数的计算上，如表面摩擦系数 (Cf=τw/0.5ρu*

2)和Clauser形状参数（G）。许多边界层特性也是用摩阻流

速来正规化的。目前大多数研究都是针对均匀流的，不过，工程中遇到的大多是非均匀流问题，非均匀流的水深、能坡等要素与均匀流不同，其摩阻流速有可能与均匀流有一定差异。因此，笔者在水槽中模拟明渠流进行了几组实验，以验证一般计算摩阻流速的公式在非均匀流时是否适用，同时，采用了Preston管量测边壁切应力从而计算摩阻流速的方法。

2摩阻流速的测量方法 摩阻流速反应了明渠流床面切应力的大小,是研究明渠流运动规律、挟沙规律的关键参数。确定摩阻流速有多种方法,不同方法得到的摩阻流速之间存在着差异。 目前实验研究中确定光滑明渠流的摩阻流速有以下几种方法[1]。

（1）测量了黏性底层的流速分布,利用公式Uy++=计算摩阻流速。式中，，/UUu+∗=/yyuυ+∗=，u∗为摩阻流速，U为距床面y处的流速。

此方法需要精确测量非常接近床面的流速，通常这一距离为0.1mm量级。Poggi[2]用一个

带有光纤传输的激光测速仪倾斜于床面放置，测量了明渠流黏性底层的流速；通常的设备很难达到这一要求，除非测量水深较大但坡度和流速都比较小的流动。 （2）将实测雷诺应力垂线分布延长至床面求得床面切应力，再求得摩阻流速。 水流的切应力包括黏性切应力和紊动切应力。黏性切应力主要作用于近壁流区，对远离

壁面的流动，紊动切应力(即雷诺应力buvτρ∗

=−)占据了主要部分。方法2利用明渠水流的

切应力沿水深呈线性分布的特性，通过测量雷诺应力的分布来计算摩阻流速。尽管雷诺应力的测量可能存在着误差，方法2仍被认为是相对可靠的[3～4]。

（3）利用实测的流速分布，给定卡门常数值，根据公式

- 1 -

http://www.paper.edu.cn 1ln()Uy

k++=A+

(1)

反算摩阻流速。式中，k为卡门常数，A为积分常数。 此法需要给定卡门常数值，通常取k=0.4，但各次试验中的k值并不一定准确的等于0.4。Raupach and Antonia[5]在综述中提到实际试验的k值在0.35～0.42之间都是合理的；Osterlund

在最近的边界层测量中发现，如果壁面切应力也就是摩阻流速能独立得到，即使是在边界层流动中k值也不等于0.4，其实测k值在0.35～0.44之间，建议在边界层流动采用k=0.38[6]。

(4)根据明渠流的阻力平衡求摩阻流速。 该方法需要精确测量试验水槽的底坡和水面坡度。考虑边壁影响后得出的摩阻流速计算公式为:

ugR∗=J (2)

式中:R为水力半径，J为水力坡度。 在二维明渠流中则采用

ugH∗=J (3)

当宽深比小于5.2时，明渠流的最大流速出现在水面以下[7],计算摩阻流速的公式变为:

ugJδ∗= (4)

δ用Wang[7]的公式计算

20.440.1060.05sin5.2RBHHHδπ

⎡⎤

=++⎢⎥⎣⎦

(5)

尽管水面坡度测量可能存在着较大的误差，但方法4仍然是工程中应用最广泛的方法。 (5)用Preston管量测切应力计算摩阻流速。

用Preston管直接量测壁面处切应力，根据公式0/uτρ∗=直接计算摩阻流速。 3实验设备和实验方法 实验在长为8.0m，宽为0.3m，高为0.4m的矩形水槽中进行。水槽底壁为钢板，两侧壁为玻璃。水深用精度为0.1mm的测针量测，测针可以沿水槽移动。流量用孔板流量计量测。用Preston管直接测量切应力。 实验分为两个阶段：第一阶段为均匀流量测。Preston管外径为0.22cm和0.2cm两个，将它们分别固定在距水槽进口2.3m和3.9m的位置测量切应力。均匀流时对两个数值平均即可。第二阶段仍用Preston管测量，在测量均匀流的同时，每个流量都分别加了几种非均匀流，以此来判定均匀流和非均匀流的不同。

4实验结果分析 4.1均匀流

- 2 -

http://www.paper.edu.cn 均匀流时，沿水槽布置了两个Preston管，测量时将两个管测得的切应力平均作为均匀流时的切应力，而后计算摩阻流速。其实验结果见图1。

0123456

012345u＊1(cm/s)

u＊(Preston)(cm/s)6

00.511.522.533.544.55

012345u＊2(cm/s)

u＊(preston)(cm/s)

图1两种公式直接计算和Preston管量测结果比较 图中，u*1为根据公式(3)、(4)所求的摩阻流速，u*2为根据公式(2)所求的摩阻流速，纵坐

标为Preston管所测切应力再根据0/uτρ∗

=所求的摩阻流速。

从图1可以看出，用公式（2）计算均匀流摩阻流速和Preston管直接测量时结果较接近，而公式（3）、（4）则有点偏差。这主要是因为公式（2）考虑了边壁对流速的影响，用水力半径替代水深，更能全面反映水流对床面阻力的影响。由图还可反映均匀流时，用Preston管直接测量其结果和公式相差不大，可以考虑直接测量。 4.2非均匀流 目前工程中采用最多的方法计算摩阻流速是用方法（4），而此方法所用公式是在均匀流

基本方程0

RJτγ=的基础上推导而得，在非均匀流时各种水力要素都和均匀流不同，其结

果可能不同。因此，笔者考虑在每种流量下，在测均匀流的同时，增加几组非均匀的情况来- 3 -

http://www.paper.edu.cn 012345012345u＊2(cm/s)

u＊(Preston)(cm/s)均匀流非均匀流

图2 均匀流和非均匀流比较 图2很明显的反映了均匀流和非均匀流的不同。在均匀流时，两者结果很接近，而在非均匀流时，数据点都离直线有一定距离，相差较大。图2可以反映，用方法（4）计算的摩阻流速，在均匀流时是适用的，而在非均匀流时其结果有所不同。因此，在用均匀流基本方程时，必须注意其在非均匀流时是否同样适用。同样，图2更加证实了在均匀流时用Preston管直接测量的准确性较高，可以应用。

5结论 本文通过对光滑壁面明渠的摩阻流速的实验研究，得出在均匀流时，计算摩阻流速的常用方法均适用，而在非均匀流时，用均匀流基本方程推导出的计算公式并不适用。在计算摩阻流速时，用水力半径替代水深所得结果更接近实际量测，这主要是因为用水力半径计算时考虑了边壁的影响在内。此外，本文还采用了Preston管直接量测切应力，进而计算摩阻流速的方法，得出在均匀流时其结果和公式计算所得非常接近，可见，采用此方法也是可行的。

参考文献 [1] 刘春晶，李丹勋等．明渠均匀流的摩阻流速及流速分布[J]．水力学报.2005,8(36).pp.950-955 [2] Poggi D , Porporato A , Ridolfi L．An experimental contribution to nearwall measurements by means of a special LDA technique[J]．Exp. Fluids ,2002 ,32(3) :366 - 375

[3] Nikora V ,Goring D．Flow turbulence over fixed and weakly mobile gravel beds[J] ．J.Hydraul. Eng.

ASCE ,2000 ,126(9) :679 - 690 [4] Poggi D ,Porporato A , Ridolfi L．Analysis of the small scale structure of turbulence on smooth and rough walls[J ]．Phy.Fluids ,2003 ,15(1) :35

[5] Raupach M R ,Antonia R A , Rajagopalan S．Rough wall turbulent boundary layers[J]．Appl. Mech. Rev.

1991 ,44(1) :1 - 25 [6] Osterlund J M,Johansson A V , Nagib H M,et al．A note on the overlap region in turbulent boundary layers [J]．Phys.Fluids ,2000 ,12(1) :1 - 4

[7] Wang X K,Wang Z Y,Yu M Z,et al．Velocity profile of sediment suspensions and comparison of log law and wake law[J]．J . Hydraulic. Res ,2001 ,39(2) :211 – 217

- 4 -

http://www.paper.edu.cn

合集下载

明渠非恒定流传播特性及流速分布研究.

明渠非恒定流传播特性及流速分布研究.

1 明渠非恒定流传播特性明渠非恒定流传播过程中，存在波的变形，不但沿时间存在横向变形，而且纵向波高上也在变化。

通常来说，周期性非恒定流在传播时，随着传播距离的增加，其上升段往往越来越陡，下降段越来越缓，甚至出现波的破碎现象，但总的周期保持不变；而在波的高度上，随着传播距离增加存在坦化现象，波幅越来越小，波峰变矮而波谷变高，非恒定流有逐渐均匀化的趋势（如图1所示）。

非恒定流的横纵变形，导致非恒定流在传播过程中沿程水深和流量变幅及波形不一致，使得非恒定流的传播表现出与恒定流不同的性质。

从诸多工程问题来说，波速如何确定，波峰和波谷的高度如何计算等是大家较为关心的，但是，1.1 试验条件1.1.1 非恒定流过程的概化非恒定流试验都采用正弦函数表示的周期性非恒定流过程。

对于周期为T 的非恒定流，给定如下形式的非恒定流过程：)22()(210ππ-+=T t Sin x Q Q Q b （1）20 t(s)Q ,H1 明渠非恒定流传播过程波形变化图示)22()(210ππ-+=T t Sin x A A A b （2）式中：0Q 为基流；b Q 为非恒定波的波幅，即流量的变幅；t 为时间；0A 为基流的过水面积，b A 为面积的变幅。

1.1.2 水槽底坡的确定为了简化问题寻求规律，同时也方便同均匀流对比，本文试验均在正坡条件下进行，坡度为3‰、5‰，恒定流时在自由出流状态下能形成均匀流，非恒定流状态下当周期较大则趋近于均匀流状态。

1.1.3 试验段的选择水槽的4＃～7＃水尺之间，在恒定流时能形成均匀流，而在非恒定流状态下， 4＃～7＃水尺之间最大最小水深相差很小，最大水深连线和最小水深连线基本水平。

因而，非恒定流状态下，4＃～7＃水尺形成一种特殊的、相对较为稳定的非恒定流，其波高基本不变，4＃～7＃水尺之间即为本文非恒定流的试验段。

x(m)H (m )图2 比降3‰时非恒定流波的沿程分布 (T=20s,Q=15~40L/s)1.1.4 水流条件从前面的分析也可知，在3‰、5‰坡度下3～40L/s 之间的流量时，恒定流在28m 水槽4～7＃水尺之间能形成均匀流，非恒定流下则能形成相对稳定的非恒定流状态。

明渠均匀流糙率系数的研究

明渠均匀流糙率系数的研究

明渠均匀流糙率系数的研究王钢钢1，张鑫21河海大学水利水电工程学院，南京 (210098)2河海大学环境工程学院，南京 (210098)E-mail：wanggang@摘要：本文利用实验室大型变坡水槽进行了光滑和粗糙两种类型的实验，测得明渠均匀流时的流量、水深，利用明渠水力计算方法计算出明渠均匀流的断面平均流速和糙率系数，并分析了糙率系数的各种影响因素与糙率系数的相互关系。

对明渠糙率系数的研究，得出结论：有良好的对数关系并拟合出n-k的对数方程，但是光滑床面和明渠糙率系数与系数k=粗糙床面有不同的n-k方程，有待进一步研究。

关键词：明渠，糙率系数，均匀流，断面平均流速1．引言糙率，是衡量壁面粗糙情况的一个综合性系数[1]，通常以n表示。

n值愈大，相应的水流阻力愈大，在其他条件相同的情况下，通过的流量就愈小。

对于天然河流来说，糙率是河床、岸壁的不规则性和表面粗糙度以及其他影响水流运动能量损失因素的一个综合性指标，它直接决定水流沿程能量损失的大小。

糙率的取值大小直接影响断面过流能力、水流能量损失。

在国民经济建设中，有关桥涵建设、防汛抢险的洪水演算、水资源调配的输水损失计算以及其他水利工程的水力计算中，都要涉及糙率计算。

在公路铁路建设中的桥涵设计以及旧桥加固改造时的水文计算，国土整治中的河道治理，水利建设中的输水损失计算，防汛抢险中的洪水演算等方面，糙率系数是重要设计参数[2]。

河床糙率是航道整治设计的一个重要特征值；河渠糙率是水文、水力计算中一个关键的技术参数；沟床糙率是泥石流流速计算的重要参数；地表糙率系数n值对地表径流流速、流态、渗透及其冲刷能力的影响作用很大，其研究对探讨坡面径流对地表冲刷能力、坡面水沙运动规律、改善水文循环过程及采取水土保持措施决策具有重要的意义[3,4]。

在山区水利水电工程设计中，常要进行河道断面的水位流量关系、水库回水、河道水面线推算，有时还要进行河道洪水演进、水库冲淤等分析计算，在这些计算中最困难之处在于确定糙率n[5]；调水工程中，长距离调水最敏感的问题就是沿程水头损失，与沿程水头损失密切相关的就是渠道糙率的取值问题。

明渠流动数值模拟技术研究

明渠流动数值模拟技术研究

明渠流动数值模拟技术研究引言明渠流动是指河流、渠道等宽度较大、流速不大、水面较平缓的流动情况。

明渠流动数值模拟技术的研究对于工程设计、流域水资源管理和环境保护等方面具有重要意义。

本文将介绍明渠流动数值模拟技术的研究方法、应用及其在水利工程中的价值。

第一部分：明渠流动数值模拟技术1. 数值模拟基础数值模拟是利用计算机进行模拟和预测的一种方法。

在明渠流动数值模拟技术中，通过建立数学模型和采用数值方法，对明渠流动过程进行数值计算和分析。

数值模拟基础包括数学模型建立和求解方法的选择。

2. 数学模型数学模型是对真实现象的简化和抽象，其中包含了描述流体力学问题的基本方程，如连续性方程、动量方程和能量方程等。

在明渠流动中，连续性方程描述了流体的质量守恒，动量方程描述了流体的动力学行为，能量方程描述了流体的热力学变化。

在建立数学模型时，需要考虑问题的边界条件和初始条件，以及涉及到的流体物性参数。

3. 数值方法数值方法用于对数学模型进行离散化处理，通过对问题进行离散化，将连续的问题转化为离散的数值问题。

常用的数值方法有有限差分法、有限元法和有限体积法等。

在明渠流动数值模拟中，有限差分法是最常用的数值方法之一，它将明渠划分为一系列网格，通过差分运算将偏微分方程离散化。

第二部分：明渠流动数值模拟技术的应用1. 水利工程设计明渠流动数值模拟技术在水利工程设计中起着重要作用。

通过数值模拟，可以预测明渠的水流分布、水面高度和流速分布等重要参数。

这对于渠道的决策和设计提供了可靠的依据。

同时，数值模拟还可以帮助设计者评估渠道结构的稳定性和水力特性，以提高工程的安全性和可靠性。

2. 流域水资源管理明渠流动数值模拟技术对于流域水资源管理具有重要的意义。

通过数值模拟，可以对流域内的水资源进行合理调度和利用。

例如，可以通过模拟不同降雨情况下的水流量和水位变化，为决策者提供洪水预警和防洪预案的制定依据。

同时，数值模拟还可以帮助评估水资源的可持续利用情况，为制定流域水资源管理策略提供科学依据。

流体力学第六章 流动阻力及能量损失

流体力学第六章 流动阻力及能量损失

第六章流动阻力及能量损失本章主要研究恒定流动时，流动阻力和水头损失的规律。

对于粘性流体的两种流态——层流与紊流，通常可用下临界雷诺数来判别，它在管道与渠道内流动的阻力规律和水头损失的计算方法是不同的。

对于流速，圆管层流为旋转抛物面分布，而圆管紊流的粘性底层为线性分布，紊流核心区为对数规律分布或指数规律分布。

对于水头损失的计算，层流不用分区，而紊流通常需分为水力光滑管区、水力粗糙管区及过渡区来考虑。

本章最后还阐述了有关的边界层、绕流阻力及紊流扩散等概念。

第一节流态判别一、两种流态的运动特征1883年英国物理学家雷诺（Reynolds O.）通过试验观察到液体中存在层流和紊流两种流态。

1.层流观看录像1-层流层流（laminar flow），亦称片流：是指流体质点不相互混杂，流体作有序的成层流动。

特点：（1）有序性。

水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。

（2）粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。

（3）能量损失与流速的一次方成正比。

（4）在流速较小且雷诺数Re较小时发生。

2.紊流观看录像2－紊流紊流（turbulent flow），亦称湍流：是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。

特点：（1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。

流体质点不再成层流动，而是呈现不规则紊动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。

（2）紊流受粘性和紊动的共同作用。

（3）水头损失与流速的1.75~2次方成正比。

（4）在流速较大且雷诺数较大时发生。

二、雷诺实验如图6-1所示，实验曲线分为三部分：（1）ab段：当υ<υc时，流动为稳定的层流。

（2）ef段：当υ>υ''时，流动只能是紊流。

（3）be段：当υc<υ<υ''时，流动可能是层流（bc段），也可能是紊流（bde段），取决于水流的原来状态。

图6-1图6-2观看录像3观看录像4观看录像5实验结果（图6-2）的数学表达式层流：m1=1.0, h f=k1v , 即沿程水头损失与流线的一次方成正比。