壅水条件下水流结构及床面泥沙起动研究

发布时间：2017-03-29 09:13

  本文关键词：壅水条件下水流结构及床面泥沙起动研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：天然河流和水库库区等河段壅水情况非常普遍,壅水条件下的水流结构以及床面泥沙起动规律较均匀流条件下更为复杂。现有泥沙起动公式一般都基于恒定均匀流水槽试验资料或近似均匀流观测资料得出的,而壅水条件下(非均匀流,属减速流)的泥沙起动规律和均匀流条件下是不同的。特别像三峡水库这样的河道型水库,相同流量下从库尾至坝前随着水深的增加,非均匀性逐步加大,非均匀流的水流结构与均匀流明显不同,非均匀性越强差别就越大,沿用均匀流的推移质泥沙起动成果来分析研究非均匀性较强的问题,结果往往会有较大的偏差。本文利用理论分析、实测资料对比分析、水槽试验等方法,首先分析不同壅水条件下的水流结构的变化,通过实测资料验证了现有的泥沙流速起动公式不适合用来计算大壅水条件下的泥沙起动流速;验证了希尔兹曲线在大壅水条件下与水槽条件下的差异性,然后通过水槽试验观测各壅水指标下的水流结构变化特征,再对泥沙起动进行观测,从流速、拖曳力、功率三个角度分析了起动规律。主要研究成果包括以下几个方面:(1)通过水槽试验资料、天然河道实测资料与4家常用的起动流速公式进行对比分析,表明:现有的经典起动流速公式不适合于大壅水条件下的起动流速计算;对于水槽小壅水,尽管公式形式上满足,但是对于起动粒径的选择上,有一定的差异性。(2)通过壅水条件下清水水槽试验,壅水条件下水流流速沿垂线分布较均匀流更加均匀,壅水程度越大,水流沿垂向分布越均匀,即流速梯度越小。这一规律在三峡水库大壅水条件下也同样得到了验证。(3)通过不同壅水条件下清水水槽试验,观测并分析了摩阻流速和床面切应力的变化规律,二者均是随着壅水程度的加大而减小。为了定量的描述它们的关系,引入壅水指标β(壅水水深与对应均匀流条件下水深的比值),通过4种方法计算了摩阻流速,选定最可靠的一组值拟合得到了无量纲摩阻流速u*/u*0与β的变化关系式,同时推算得到对应床面切应力与β的关系。(4)通过不同壅水条件下的清水水槽试验,观测并分析了各种壅水指标β下的流速分布及三向相对紊动强度分布,相比均匀流,二者均有相似的分布结构,在adv可测的范围内,流速均满足对数分布规律,随着壅水程度加大(β变大),相关性稍有波动,但总体对数相关率较高。得到对应流速与β关系式。三向相对紊动强度,壅水条件下在近底处波动较大,但均匀流条件下沿垂线波动并不明显。(5)通过推移质泥沙起动试验,得出对于床面泥沙的起动标准选取取样标准,即推移质累计频率接近100%(d95)的粒径确定为起动粒径,具有较好的精确性。不同流量下,随着壅水指标的变大,起动粒径变小,沿程会出现粗沙先起动细沙后起动的现象。随着流量的加大,在相同水深条件下,起动粒径也较大。(6)对于指数型流速公式中的参数A,随着壅水程度的加大,略有减小,但总体上为一固定常数,根据本试验结果取1.23。得到对应与壅水指标相关的起动流速公式。利用该公式对万县水文站实测资料进行验证,证明了d95作为起动代表粒径计算起动流速更加精确。(7)水槽试验成果对拖曳力公式进行验证,大体上满足希尔兹曲线。壅水指标β变大,比降J减小,起动拖曳力τ0是减小的,而临界相对拖曳力Θ呈现增大的趋势。说明了,起动拖曳力τ0受比降J的影响更大。而临界相对拖曳力Θ在一定范围内与β指标正相关。(8)利用功率起动公式进行验证,得到无量纲起动功率0.0191,可以作为推移质泥沙起动的标准。
【关键词】：壅水条件 水流结构 水槽试验 床沙起动
【学位授予单位】：长江科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV14;TV131.3
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 概述13-14
• 1.1.1 选题的背景13-14
• 1.1.2 研究的意义14
• 1.2 明渠均匀流研究现状14-17
• 1.2.1 流速分布14-16
• 1.2.2 切应力分布16-17
• 1.3 明渠减速流研究现状17-23
• 1.3.1 明渠恒定减速流水流结构试验研究17-18
• 1.3.2 明渠恒定减速流流速分布18-20
• 1.3.3 明渠恒定减速流紊动强度分布20-21
• 1.3.4 明渠恒定减速流雷诺切应力分布21-23
• 1.4 泥沙起动研究现状23-29
• 1.4.1 起动标准23-24
• 1.4.2 起动表达形式24-28
• 1.4.3 减速流条件下泥沙起动研究现状28-29
• 1.5 本文研究的内容及技术路线29-31
• 1.5.1 研究内容29
• 1.5.2 技术路线29-31
• 第二章 三峡水库变动回水区万县水文站实测资料分析31-52
• 2.1 变动回水区沿程水流特性31-36
• 2.1.1 流速分布32-34
• 2.1.2 水流紊动强度分布34-36
• 2.2 万县站卵石起动分析36-43
• 2.2.1 万县站各水力参数的相互关系37-38
• 2.2.2 床沙级配变化38-39
• 2.2.3 卵石输沙量年际之间的变化39-40
• 2.2.4 推移质粒径的变化40-41
• 2.2.5 比降J计算41-42
• 2.2.6 起动对水流功率的选择42-43
• 2.3 万县水文站推移质起动公式验证43-50
• 2.3.1 起动流速公式验证44-47
• 2.3.2 起动切应力公式验证47-50
• 2.4 小结50-52
• 第三章 壅水条件下水流结构水槽试验分析52-95
• 3.1 试验概况52-57
• 3.1.1 试验水槽52-53
• 3.1.2 声学多普勒流速仪（ADV）53-54
• 3.1.3 试验布置及方案54-57
• 3.2 试验结果分析57-92
• 3.2.1 壅水程度指标57-58
• 3.2.2 卡门常数 κ 的确定58-59
• 3.2.3 摩阻流速及不同壅水指标下床面切应力的关系59-69
• 3.2.4 不同壅水程度指标下的流速分布69-85
• 3.2.5 不同壅水程度指标与紊动强度的关系85-92
• 3.3 水槽小壅水与三峡变动回水区大壅水对比初步结论92-93
• 3.4 小结93-95
• 第四章 壅水条件下床面泥沙起动试验分析95-108
• 4.1 泥沙起动概况95-96
• 4.2 泥沙起动水槽试验96-97
• 4.2.1 试验水槽及设备96
• 4.2.2 试验方案及试验条件96-97
• 4.3 试验结果分析97-106
• 4.3.1 起动标准97-99
• 4.3.2 临界起动流速公式参数验证99-101
• 4.3.3 临界无量纲拖曳力参数验证101-102
• 4.3.4 临界起动功率分析102-104
• 4.3.5 常用流速起动公式在本水槽的验证104-106
• 4.4 小结106-108
• 第五章 结论与展望108-112
• 5.1 结论108-111
• 5.2 展望111-112
• 参考文献112-116
• 附录116-117
• 参加的主要科研课题116
• 攻读硕士学位期间获得荣誉116-117
• 致谢117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 万俊;何建京;王泽;;光滑壁面明渠负坡流速分布特性[J];长江科学院院报;2010年04期

2 万俊;何建京;王泽;;光滑壁面明渠陡坡流速分布特性[J];水动力学研究与进展A辑;2010年01期

3 刘小来;许萍;周幸初;;三峡库区万县水文站蓄水前后水位流量关系分析[J];中国水运(下半月);2009年02期

4 乐培九;朱玉德;崔喜凤;;二度非均匀流流速分布初探[J];水道港口;2006年04期

5 刘春晶,李丹勋,王兴奎;明渠均匀流的摩阻流速及流速分布[J];水利学报;2005年08期

6 何建京,王惠民;光滑壁面明渠非均匀流水力特性[J];河海大学学报(自然科学版);2003年05期

7 何文社,方铎,杨具瑞,曹叔尤;泥沙起动流速研究[J];水利学报;2002年10期

8 胡旭跃,曾光明,黄国和,李建兵;矩形明渠边界平均剪切应力变化规律研究[J];泥沙研究;2002年04期

9 张小峰，谢葆玲;泥沙起动概率与起动流速[J];水利学报;1995年10期

10 王兴奎,陈稚聪,张仁;长江寸滩站卵石推移质的运动规律[J];水利学报;1992年04期

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本文编号：274125