有间距加糙床面明渠水流结构试验研究

发布时间：2020-08-07 14:05

【摘要】：水流结构对河工模型试验的精度影响重大,床面加糙是河工模型试验中为保证阻力相似而采取的普遍方法,有间距加糙是最常用的床面加糙方式之一,因此开展有间距加糙床面水流运动相关问题研究具有重要的理论和实际意义。本文基于PIV测量试验结果,对光滑床面以及4种加糙床面的流速结构、紊动特性和加糙阻力进行研究,取得了以下成果:(1)有间距加糙床面明渠水流水力特性可分为颗粒区和粒间区,两个区域的各项水流参数差异较大。摩阻流速*u和理论床面位置的沿程分布均具有明显的分区特性:颗粒区*u普遍较小,而粒间区*u普遍较大;颗粒区的理论床面位置在颗粒顶部以下(0.15~0.35)d范围内变化,粒间区的理论床面位置在颗粒底部所在的光滑床面。(2)基于PIV水槽试验数据,研究了不同粗糙条件下纵向时均流速U的分布规律。结果显示时均流速流场呈现明显的条带状分布,时均流速分布与颗粒间距、颗粒直径以及排列方式关系较大。颗粒间距离越小,时均流速U越小;颗粒直径增大,时均流速减小;梅花形加糙床面的时均流速比矩形加糙床面的时均流速小,因此梅花形加糙对流速的影响较大。颗粒上游区域时均流速垂线分布呈现比较明显的对数分布,中下游区域基本呈现先稳定后增大的趋势。(3)光滑床面和粗糙床面近壁区纵向及横向脉动流速u、v均呈现清晰的高、低速条带结构。随着水深的增大,各类紊流事件的平均概率总体均呈先增大后减小的变化趋势;加糙颗粒对紊流事件概率的影响主要集中在颗粒顶部以下区域。床面加糙后,垂向脉动流速概率密度分布变化较小,而纵向脉动流速的概率密度分布变化较大,分布曲线变得更为尖陡,流速脉动范围更为集中。(4)阐述了紊动强度、雷诺应力、紊动能在不同水流条件和粗糙条件下的规律变化。结果显示纵向紊动强度呈现条带状分布,距离槽底越近,纵向紊动强度越大,在颗粒顶部上方1d范围内达到最大,然后逐渐减小;颗粒直径越大,纵向紊动强度越小。雷诺应力呈现先增大后减小的趋势,在颗粒顶部位置达到最大值;颗粒直径越大,雷诺应力越小。紊动能沿水深的变化规律与纵向紊动强度基本一致,最大值出现在颗粒顶部以下1d范围内;床面加糙颗粒直径越大,紊动能越小。相同流量条件下矩形加糙床面的紊动强度、雷诺应力和紊动能均大于梅花形床面。(5)相对当量粗糙度k_(s0)与颗粒大小、间距、排列方式及水流条件等因素有关,当流量相同时,颗粒直径越大或排列间距越小,k_(s0)平均值越大;床面相同时,流量越大,k_(s0)平均值越小;在颗粒大小、间距及流量相同时,梅花形排列的k_(s0)平均值要大于矩形。(6)颗粒区和粒间区的阻力系数f随k_(s0)的变化均服从幂函数公式。当h/d较小、床面接近大尺度粗糙时,f随k_(s0)的递增变化明显,随着h/d的增大,f随k_(s0)的递增变化逐渐趋缓;在k_(s0)相同的情况下,h/d越小,f增幅愈明显;在h/d和k_(s0)相同的情况下,颗粒区的水流阻力系数要大于粒间区。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV133
【图文】：

加糙,面流,场图

图 1.2 加糙后床面流场图[37]上所述，目前明渠水流紊动特性研究的现有成果，考虑颗粒所在纵的某个特定位置的较多，研究颗粒间沿程变化的较少；考虑单一粗，研究不同粗糙程度对紊动特性影响的较少。粗糙床面阻力的研究现状不同的加糙方式对阻力的研究中，密排加糙研究较早而且比较广泛糙较少，主要研究集中在梅花形加糙。梅花形加糙阻力规律较为复研究了梅花形有间距排列的大颗粒加糙问题，得到唐存本糙率计算[39]通过水槽均匀流试验，研究了三角块梅花形加糙糙率大小，推导式；卢汉才等[40]对矩形水槽梅花形卵石加糙进行了研究，得到了相公式 n=kd1/6(n 为糙率，d 为颗粒直径，k 为随着 L/d 规律变化的系距)，并认为加糙体排列并非越密越好；朱代臣[41]通过矩形水槽试验形排列的 Y 形加糙体和砾石加糙体水力阻力与加糙密度、相对高度

技术路线图,加糙,研究现状,紊动特性

水流泄流能力及输沙能力。因此，本文选用梅花形和矩形排列加糙床面PIV水槽试验资料，探讨不同粗糙程度下水流流速结构、紊动特性和床面加糙阻力这三个方面的变化规律，总结分析差异。本文研究所采用的技术路线见图1.3：图 1.3 技术路线图1.3.2 本文章节安排本文共分为六章。论文第一章为绪论，主要阐述了有本文的研究背景及意义，从明渠水流流速分布研究现状、紊动特性研究现状、粗糙床面阻力研究现状和 PIV在水流结构研究中的应用现状 4 个方面进行文献综述，并结合研究不足引出本文要开展的主要工作。第二章具体描述了加糙床面明渠水流结构试验。详细介绍了水槽试验装置、

平面图,水槽试验,水槽

第二章有间距加糙床面明渠水流结构试验第二章有间距加糙床面明渠水流结构试验2.1 试验装置2.1.1 变坡水槽选用重庆交通大学国家内河航道整治技术研究中心 PIV 实验室高精度整体变坡水槽(长 12m×宽 0.25m×高 0.25m)进行试验(图 2.1)，该水槽具备完善的量测系统可控制来水流量。为减小水槽边壁接头对水流结构的影响，水槽侧面和底面均由3.6m 长玻璃板组成，玻璃安装误差小于±0.2mm，水槽结构变形小于±0.3mm。水槽入口放置整流格栅，出口设置合页式尾门。水槽安装有水位、流量自动控制系统。最大试验流量 20L/s，调坡范围 0.1%~1%。试验加糙颗粒铺设长度为 8.6m，下游水位通过调节尾门来控制。水槽试验方案的平面图如图 2.2 所示：

【参考文献】