（水力学及河流动力学专业论文）连续两弯明渠水流特性水槽试验研究.pdf

摘要 弯曲河流在自然界中普遍存在，在自然情况下，平原河流、河网及滨湖河流 中常出现多弯相连的情况。 水在流动的时候受边界条件影响很大。弯道水流是工程实际中经常碰到的一 种水流形式。由于弯道特有的几何特征和几何条件，其水流特性与顺直河道有显 著的不同。弯曲型河流的水流运动研究，包括流速及流速分布、比降、流场分布、 环流运动、紊动特性等。单个的独立弯道中水流结构方面的研究已经比较成熟， 本文对此方面丰富的成果进行了系统归纳。本文对于成果还不多见的连续弯道水 流结构方面的问题，做了系统的试验研究。主要研究内容以及结论如下： 1 利用超声多普勒声速仪( n d v ) 量测不同位置的瞬时流场，分析了在过渡 段长度不够的情况下连续弯道下三维流速沿水深分布以及三维流速沿程变化的 特点，对实验结果进行了分析，发现在过渡段长度不够的情况下，水流进入后弯 后，主流出现在后弯凸岸，后弯主流向凹岸过渡的趋势和速度不及前弯，并且还 未来得及过渡到凹岸一侧便已经出弯。 2 深入探讨了连续弯道下环流沿程变化的情况以及环流强度沿水深分布的 规律。发现连续弯道环流结构和单个弯道环流结构有明显不同。在前弯以及过渡 段和后弯进口断面的环流结构为大环套小环的结构。即整个断面会出现一个大的 环状结构，并且在顺直的过渡段依然会产生比较明显的环流。在过渡段长度不够 的情况下，水流刚进入后弯时，后弯进口处附近断面的速度场和前弯的速度场比 较相似。随后前弯的环流会逐渐被削弱直到最后消失，最终被后弯所产生的环流 所取代。 3 对连续弯道下水流紊动特性做了试验研究，深入分析了水流紊动强度的 变化规律。发现垂向紊动强度明显偏小。纵向紊动强度的最大值一般出现在水流 底部。横向紊动强度值一般会出现突变点，并且横向紊动强度的最大值多数情况 下出现在z h = o 5 附近。 本实验研究成果丰富了人们对连续弯道水流特性的认识，为进一步研究奠 定了基础。 关键词：弯道水流； 环流； 流速分布；紊动；过渡段 a b s t r a c t c u r v i n gr i v e r se x i s ti nt h ew o r l du n i v e r s a l l y i nt h en a t u r a ls i t u a t i o n ，c o n s e c u t i v e b e n d so f t e na p p e a ri na l l u v i a lr i v e r s r i v e r si nt h en e t w o r k sa n dl a k e s h o r e t h eh y d r a u l i c sc h a r a c t e r i s t i c so ff l o w i n gw a t e ra r ea f f e c t e db yb o u n d a r y c o n d i t i o n se n o r m o u s l y t h eb e n d f l o wi so n eo ft h em o s tf a m i l i a rf o r m si n h y d r o p o w e rp r o j e c t s f o rt h es p e c i a lb o u n d a r yc o n d i t i o na n dg e o m e t r yp r o f i l eo f m e a n d e r i n gf i v e r , i t s c h a r a c t e r i s t i co ff l o wi sd i f f e r e n tf r o mt h ef l o wi nr e g u l a r c h a n n e l t h er e s e a r c ha b o u tt h eb e n d f l o wi n c l u d e sv e l o c i t y , t h ed i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y , s l o p e ，t h ed i s t r i b u t i o no ff l o w , c i r c u m f l u e n c eo ff l o wa n d t h ec h a r a c t e r i s t i c o ft u r b u l e n t t h er e s e a r c ha b o u tf l o wi ns i n g l e - b e n di sa l r e a d ym a t u r e t h er e s u l t si s c o n c l u d e di nt h i sp a p e r p r e s e n t l y , t h e r ei so n l yal i t t l ea c h i e v e m e n ti nt h ef l o w s t r u c t u r eo fc o n s e c u t i v eb e n d s s ot h ep a p e rr e s e a r c h e st h ep r o b l e mb ys y s t e m i c e x p e r i m e n t a ls t u d y t h er e s e a r c hr e s u l t sm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 1 1 ef i r s t t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo f3 - ds p e e da l o n gt h ew a t e rd e p t ha n dt h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co f3 ds p e e da l o n gt h ew a yi nc o n s e c u t i v eb e n d sh a v e b e e n r e s e a r c h e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw a sa n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tt h ew a t e rf l o w i n t ot h ep o s ta f t e rt h eb e n d s t h em a i n s t r e a ma f t e rt h eb e n di nt h ec o n v e xs h o r e ，a f t e r b e n d i n gt h em a i n s t r e a mt ot h ec o n c a v eb a n ko ft h et r e n da n dp a c eo ft h et r a n s i t i o n t h a nb e f o r et h eb e n d ，a n dh a v en o th a dt i m et ot r a n s i t i o nt ot h ec o n c a v eb a n ks i d eo fi t h a sa b e n d t h es e c o n d t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo ft h ec i r c u l a t i n gc u r r e n ta l o n gt h ew a ya sw e l l a st h ec i r c u l a t i o ni n t e n s i t ya l o n gt h ew a t e rd e p t hi nc o n s e c u t i v eb e n d sh a sb e e n r e s e a r c h e d t h er e a s o nt h a tt h ec i r c u l a t i n gc u r r e n tc h a n g e sa l s oh a sb e e na n a l y z e d i t i sf o u n dt h a tc u r v ef o u n df o ras i n g l et u r nl o o ps t r u c t u r ea n dl o o ps t r u c t u r ei s d i f f e r e n t t h ef i r s tb e n da n dt h et r a n s i t i o na n da f t e rt h et u r no ft h ec i r c u l a t i o n s t r u c t u r eo ft h ei m p o r ts e c t i o nf o rs e t so fs m a l lm a c r o c y c l i cr i n gs t r u c t u r e t h a ti s ， t h e r ew i l lb eaw h o l es e c t i o no fal a r g er i n gs t r u c t u r e ，a n di nt h es t r a i g h ts e g m e n to f t h et r a n s i t i o nw i l ls t i l lh a v eac i r c u l a t i o no fm o r eo b v i o u s i n s u f f i c i e n tl e n g t ho ft h e t r a n s i t i o n ，t h ew a t e ri u s ta f t e rt h eb e n dt oe n t e r , a f t e rt h eb e n dn e a rt h ee n t r a n c e s e c t i o no ft h ev e l o c i t yf i e l da n dv e l o c i t yf i e l do ft h ef o r w a r db e n d i n gs i m i l a r t h e c i r c u l a t i o nb e f o r et h en e x tt u r ni st ob eg r a d u a l l yw e a k e n e du n t i lt h el a s td i s a p p e a r , e v e n t u a l l yb e n d i n ga r i s i n ga f t e rr e p l a c e dc i r c u l a t i o n t h et h i r d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ef l u e n tt u r b u l e n tw a sd o n ei nc o n s e c u t i v e b e n d sa n dt h er u l eo ft u r b u l e n c ei n t e n s i t yh a sb e e na n a l y z e dt h o r o u g h l y i ti sf o u n d t h a tt h em a x i m u mv e r t i c a lt u r b u l e n ti n t e n s i t yi nt h ew a t e ra tt h eb o t t o mo ft h e g e n e r a l h o r i z o n t a lt u r b u l e n ti n t e n s i t y v a l u e sp o i n tm u t a t i o n so c c u r , a n dm e m a ) 【i m 哪h o r i z o n t a lt u r b u l e n ti n t e n s i t yi nm o s t c a s e sa p p e a ra r o u n dt h e z h5o 5 1 1 1 i sa n a l y s i sh a sm a d et h ek n o w l e d g ea b o u tr e s i s t a n c eo f c o n s e c u t i v eb e n d so f t h ev e g e t a t i o nh e i g h tu n d e r s t a n d a b l e k e y w o r d s ：f l o wi nb e n d ；e i r c u m f l u e n e e ；t r a n s v e r s es l o p e ；t u r b u l e n t ； i r a n s i t i o n s e e t i o n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者繇7 ；i 罐哆帆7 年岁月沁 导师签名： c 【刖j e 1 1 概述 第一章绪论 水体在流动的时候受边界条件影响很大。河弯在自然界中普遍存在，可以看成是组 成河流的最基本单元，因此弯道水流是工程实际中最为常见的一种水流形式。由于弯曲 河道边界条件的特殊性，弯曲河道中水流运动结构的特性与其他形式边界河段的水流结 构特性有着显著的不同i lj 。 弯道特有的几何特征和几何条件，使其中的水流运动对泥沙运动、河道演变及船舶 航行等产生特殊影响。研究弯道水流运动的规律对江河治理、船舶航行等方面的科学研 究和设计等有重要意义。 弯曲河道中由于离心力的存在，使得凹岸和凸岸的水面高程存在差异，主要表现在 凹岸水面高程大于凸岸水面高程，从而产生水面比降。水流进入弯道后，表层水流的向 心加速度和底层水流的向心加速度出现不同，一般表层水流的向心加速度大于底层水流 的向心加速度，表层水流的速度会大于弯道水流的平均速度，底层水流的平均速度小于 表层水流的平均速度。这样，表层水流会趋向于背离弯曲中心运动，而底层水流则趋向 于向指向弯曲中心运动，从而形成了螺旋流运动。凹岸的水流指向河底，凸岸的水流指 向水面。螺旋流运动在横断面的投影称为环流，环流是弯道中特有的水力现象。在自然 情况下，平原河流、河网及滨湖河流中常出现多弯相连的情况，多弯相连的河道一般称 之为连续弯道，两弯之间的连接部分称之为过渡段。 1 2 研究目的与意义 在理论研究方面，现阶段的成果主要是针对单个弯道的。关于连续弯道水流特性方 面的研究成果，目前并不多见，研究连续弯道的水流结构对丰富弯道方面的理论知识， 具有重要意义。 在工程实际方面，因为绝大部分的弯曲河道均为连续弯道，研究连续弯道水流结构 特性对于江河治理、通航安全等方面的科学研究与设计有重要意义。 1 3 研究现状 弯曲型河流的水流结构的研究，包括很多方面，比如说流速、横比降、流场分布、 紊动特性等等，目前针对单个弯道，对水流结构方面的研究已经比较成熟，成果也比较 丰富，但对于连续弯道，水流结构方面的研究成果比较少。 1 3 1 垂向弯道与平面弯道 弯曲河道按其转弯方向可以划分为垂向弯道和平面弯道。水流的垂向转弯，会导致 水流的流线急剧变化，从而形成弯道急变流1 2 ，比如说泄洪洞的直线段、泄洪洞出口与 挑坎间的反弧段、溢流面上的曲线段等等。关于垂向弯道，国内外的研究成果甚少。少 数专家虽然进行了比较深入的研究，田忠，王韦【3 】等给出了一个实用、有效的垂向弯道 ( 曲面) 急变流水面线及床面压力的计算方法，建立了水流的连续方程和动量积分方程。 万俊【2 j 对垂向弯道中的水流进行了简化，以沿程不变的矩形断面为研究对象，从微元水 体入手，利用牛顿第二定律，分析了微元水体的受力情况，建立了微元水体的微分方程 并进行了积分，得到了垂向弯道中水面线的控制方程目前在垂向弯道这方面目前还没有 成熟的理论，也没有国内外比较统一的公式。 1 3 2 弯道的比降 当水流进入弯道后，因为离心力的作用，自由水面的平衡状态遭到破坏，使得凹岸 水面高于凸岸水面，在同一断面上水面会产生横比降。由前人的研究成果可知，最大横 比降出现在紧靠弯项断面的附近随着流程的增加，横比降逐渐减小，直至弯道出口断 面，出口横断面比降仍然有一定数值，但此数值却很小，出弯段后横比降迅速消失1 4 j 。 很多学者对弯道的横比降现象进行过系统深入的研究。罗索夫斯基的公式最具有代表 性，在实际计算中也一般被采用l 3 1 。不过实践检验表明，罗索夫斯基公式在粗糙床面情 况下，横比降值略偏小。张红武例等人通过浑水动床模型实验发现，弯道水面的横比降 与水体所含泥沙的浓度有较大关系，并且进一步得出主要是因为含沙量影响了流速分布 系数口。万俊1 2 j 采用了张红武的流速分布公式，得出了口。的计算公式。刘焕芳通过试 验研究得出了整个弯道上水面横比降的分布公式，此公式的计算结果与试验实测数据对 比，基本吻合【们。 王平义认为弯道中凹岸区域水流结构较凸岸附近水流结构更复杂，从而推断出凹岸 区和凸岸区的流速分布会不相同，从而形成不同的水面横比降。因此，应该分别导出弯 道凹岸区和凸岸区的水面横比降公式f 7 j 。 长江航道规划设计研究院【8 】通过概化水槽模型实验得出：在同种条件下( 流速、水 深、弯曲半径、弯道宽度均相同) ，从弯道的进口到出口各断面的水面都是偏斜的，但 偏斜程度并不相同，同时弯道的横向倾斜水面线并非一条直线，即中心在线水深与凹岸 和凸岸水深的平均值并不相等，弯道中部横向水面偏斜程度受多种因素影响。弯道转角 越大，水面偏斜得越严重，且随流量的增加而变大。 1 3 3 弯道环流 弯道中的环流，通常是指表层水流指向凹岸，底层水流指向凸岸的弯道中特有的水 流运动状态，也称之为螺旋流运动。螺旋流运动的产生是因为水流入弯后表层水流和底 层水流的向心加速度会不相同。通常表层水流的向心加速度会大于底层水流的向心加速 2 度，表层水流的速度也会大于弯道水流的平均速度，而底层水流的速度小于弯道水流的 平均速度。这样，表层水流趋向于向外运动，而底层水流则向内运动，从而在靠近河岸 处将形成平衡性垂向流速分量，该流速分量的方向在凸岸为向上，在凹岸为向下1 9 1 。 关于弯道环流的计算，古今中外有不少的研究成果。1 9 3 3 年，马卡维耶夫利用雷诺 方程导出了轴对称水流条件下的运动方程式，为弯道环流的近似理论解奠定了坚实的基 础。随后很多学者采用不同的纵向流速分布公式和边界条件及连续条件通过不同途径对 方程求解，得到了不少环流流速沿垂线的分布公式。罗索夫斯基公式采用的是流速的对 数分布，但是对数分布并不适用于近壁流区，并且在公式推导中，必须预先得到关于水 面横比降的理论表达式，。对同一弯道环流现象的科学表达，两个相关公式的推导不同步， 在近壁流区公式与实际不相符。张红武在罗索夫斯基的公式基础上，采用p r a n d t l 的方式 处理横向切应力，而且考虑了河湾阻力的影响，得出的公式无论在光滑或者粗糙的情况 下，在近壁流区都与实际较为接近，精度较好。张定邦公式的结构较为简单，而且与床 面光滑时的数据较为符合但是根据该式讨论模型的相似性，将得出环流不受模型变态 影响的结论。张耀先引入了比较可靠的指数型纵向流速分布公式，使得导出的环流流速公 式结构比较合理，并且导出的过程和公式形式都比较简单，便于对环流进行解析计算，克 服了对数型公式在近壁区的缺陷1 7 1 。宋志尧i i o i 针对罗索夫斯基所采用的模型方程，增加 了底床不可滑动这个条件，使主流和副流在近床面处的流速都为零；而在推导中视水面横 比降为一待定变数，就纵向流速的对数分布公式，耦合求解，同步推得水面横比降和环流分 布的理论公式，最终应用数值逼近方法简化了弯道环流公式。通过对光滑和粗糙床面条件 下弯道环流实验数据的验证表明其得到的环流公式不仅与实际值最为符合，而且适用于 不同粗糙度的床面，是计算弯道环流的通用公式。 国内目前关于弯道环流公式的推导一般采用的方法是数学模型推导加水槽试验验 证，水槽试验模型的断面一般为矩形断面。但天然河道的断面不为矩形，梯形断面更接 近实际些。a k i h i r o t o m i n a g a 等【l l j 研究了弯道断面形状对环流结构的影响。梯形河槽中， 随着边坡坡度的变缓凹岸处反向次生环流变弱，因此，向凹岸输送的动量增加横向环流强 度加大。复式断面河槽中，环流划分为主槽区和河漫滩区。随着河漫滩宽度的增加，河漫 滩上的环流变得明显，但是主槽区的环流会变弱。由此可见，断面形状对环流结构的影响 是不可忽视的，应对梯形断面下弯道环流的结构以及变化规律加以研究。 1 3 4 弯道的紊动强度及水动力轴线变化规律 近年来，随着量测技术的迅猛发展，不少高精密的测量仪器被应用到水流研究中来。 刘月琴1 1 2 】用a d v 测量了三个不同曲率的弯道的紊动强度，并且分析了紊动强度沿垂线 分布的规律，弯道进口至弯顶段及弯道出口断面，纵、横向相对紊动强度沿垂线分布规律 基本符合线性分布，仅不同断面处的斜率和截距有所不同，且由凸岸向凹岸其值逐渐增 大；在弯顶至出口段，纵、横向相对紊动强度沿垂线的分布可视为曲线分布，由凸岸向凹岸 其值逐渐减小，并且在近壁处z h 0 2 5 ，弯道纵、横向相对紊动强度沿垂向的变化率较 大，在力h = 0 2 5 处其值达到最大，在床面附近它们有明显的减小趋势在核心区内，纵、 横向相对紊动强度随z h 增大而单调减小，纵向相对紊动强度递减速度大于横向相对紊 动强度的递减速度。许光祥【1 3j 认为，在对水流进行紊流研究时，应该将最大流速值设置 为比实际流速大的下一级流速。黄本胜、蔡金德1 1 4 j 等人的研究结果表明，在相对水深z h 0 1 的流区内各垂线紊动强度值较为接近。莴德繁 1 5 1 对矩形断面弯道段中水动力轴线 的变化规律做了定性分析，在弯道的上弯曲段，主流方向偏向凸岸一侧，进入弯道段后， 受弯道作用，主流逐渐过渡到凹岸一侧，到弯顶以下则靠近凹岸，弯顶以下，由于水流 惯性作用，主流仍靠近凹岸一侧。张土乔f 1 6 j 研究了复式断面弯道段在不同工况下，水流 动力轴线的变化规律。当径量流较小时，复式断面的水流动力轴线的曲率半径接近主槽的 曲率半径，随着流量增大，动力轴线向凹岸靠近，曲率半径也逐渐减小，当流量继续增大时， 动力轴线逐渐向凸岸靠近，曲率半径也逐渐增大。而在矩形断面中随着流量增大动力轴线 曲率半径是一直增大的。张土乔 1 6 j 总结出了水动力轴线运移规律的关系式。 需要指出的是，目前弯道的水槽试验模型中，断面的形状一般为矩形，而天然河道 的断面更接近于梯形断面，根据张土乔【1 6 】的实验研究结果，断面不同，弯道水流的特性 会存在显著的差异，所以这是以后研究中必须重视的问题。 1 3 5 连续弯道水流结构研究进展 弯道按其类型又可分为单个弯道和连续弯道，国内外的研究成果大部分都是关于单 个弯道方面的，连续弯道方面的研究成果并不多见。近几年随着研究不断深入，开始有 学者研究连续弯道水流结构方面的问题，蔡金德1 1 7 1 王韦t l s l 从分析弯道水流垂线平均流 速入手，建立了连续弯道下水深沿槽宽的分布公式。莴德繁f l5 j 通过实验研究认为水流由 前一弯段进入后一弯段，在后一弯段的底部会产生与前一弯段相反方向的环流运动，随 着水流在后一弯道段的运行，底部所产生的环流逐渐增强，并对前一弯道段所产生的环 流起托举作用。水流运行至后一弯道段的出口处时，后一弯道段所产生的环流运动才会 与前一弯道段所产生的环流运动在强度上基本相当。m r p i r c s t a n 等i l9 j 的物理模型试验 研究得出弗汝德数的大小会直接影响环流的强度变化。当弗汝德数增加时，环流强度减小； 而当弗汝德数减小时，环流强度增大。在连续弯道研究当中，一般认为弯道的曲率半径， 中心角以及过渡段长度会对水流结构产生重要影响。现有的研究一般都注意到了曲率半 径以及中心角的影响，刘月琴、张土乔等人的实验研究成果也体现了这一点，但是对连 续弯道过渡段对水流结构的影响却几乎没有人考虑到。虽然刘月琴、王韦、蔡金德等人 在实验中设置了顺直的过渡段，但仅仅是为了有一较长的过渡段进行环流的衰减及水流 的平顺，避免上游弯道水流对下游弯道水流的影响。现阶段一般认为在两个弯道间设置 弯道长度3 5 倍的过渡段可消除前一弯道所产生的环流。在莴德繁的实验中的连续弯道 中间则没有设置过渡段。当设有过渡段而过渡段长度又不足以消除前一弯道所产生的环 流的情况至今没有人研究过，而现实中连续弯道河流大部分又存在此种情况，此外曲率 半径和中心角一定的情况下，连续弯道的过波段长度应该会存在一个临界值，也就是过 渡段长度刚刚足够消除前弯所产生的环流，这个是以后研究中所必须重视的问题。 4 1 4 主要研究内容和技术路线 水在流动的时候受边界条件影响很大。弯道水流是工程实际中经常碰到的一种水流 形式。由于弯道特有的几何特征和几何条件，其水流特性与顺直河道有显著的不同。弯 道水流运动规律的研究对江河治理、航运等方面的科学研究与设计有重要意义。而弯道 按其类型又可分为单个弯道和连续弯道。影响连续弯道水流特性的因素有很多，比如说 弯曲半径、中心角、过渡段长度等等。在连续弯道中，前弯一般可视为单个弯道，后弯 受前弯的影响，水流结构和前弯会出现不同。比较前弯与后弯的水流特性异同，实质上 就是比较单弯与连续弯道的水流特性异同。本文对过渡段长度不够的连续两弯的水流结 构进行了试验研究，将前弯水流结构与后弯进行了比较。主要研究内容如下： 1 研究了连续弯道三维流速沿垂线分布规律。比较分析了前弯与后弯的流速分布异同。 2 通过试验分析了连续弯道的环流沿程变化规律以及环流强度沿水深变化规律。比较 分析了前弯与后弯的环流结构异同。 3 研究了连续弯道的紊动特性。 第二章连续弯道水流流速分布试验与研究 水流进入弯道后，受边界条件的影响，水流结构将发生很大变化，其流速分布与顺 直河道相比也会出现不同。在弯道中，水流结构具有明显的三维特性，即弯道水流流速 包括纵向、横向以及垂向三个方向的流速。弯道水流纵向流速要大于横向以及纵向流速， 纵向流速的变化直接决定水流动力轴线的变化，因而对船舶航行有重要影响。横向流速 一般会导致弯道中航行船只产生偏航，f a l c o n a s c a n i o 和k e n n e d y 给出了弯道横向流速 分布公式，但是公式精度并不令人满意f 。以往人们认为弯道垂向流速数量级较小，可 忽略不计，其实弯道垂向流速对凹岸冲刷、凸岸淤积有一定的作用，并且垂向流速是弯 道中环流产生的重要原因1 2 l j 。很多学者对弯道水流流速分布规律进行了研究与探讨，但 是所研究的对象一般是针对单个弯道，断面形状为矩形。而天然弯曲河道一般为连续弯 道。基于上述情况，作者对连续弯道的水流流速分布进行了系统研究，并且选择与天然 河道断面形状更为接近的梯形作为水槽试验的断面。 2 1 实验场地与布置 试验在长沙理工大学港航试验中心进行，采用实验室供回水系统供水，水流恒定。 试验用的连续弯道为两圆弧反向连接的水槽，两圆弧中心角均为1 2 0 。两反向圆弧间 设1 4 m 长的直线连接段，也就是过渡段。底部及侧壁为水泥砂浆抹面。弯道凹岸的弯 曲半径为5 9 m ，凸岸弯曲半径为3 7 m 。梯形断面下底宽0 6 m ，上底宽2 2 m 。水槽断面 为梯形断面，底面坡降为0 1 5 ，连续弯道平面图及断面示意图如下： 图2 1连续弯道平面布置图 图2 - 2连续弯道断面示意图 6 22 量测仪器 流速测量采用超卢多普勒测速仪( n d v ) 。n d v 是目前世界上性能指针比较先进的 点式流速仪，工作原理如图2 3 。n d v 钡i j 量流速使用了多普勒效应的物理规律，即固定 声源和探头，测量数据精度高，而且仪器自身不产生零点漂移。接受探头接收由运动粒 子反射或散射的声音频率发生的变化，它们的关系如下： f “= f ，( v c ) ( 21 ) 式中f 。一多普勒频率：f 一发射频率；v 一运动粘干相对于接受探头的速度；c 是声 速。 本试验研究中n d v 的采样频率为2 0 0 h z ，采样时划为1 0 秒。为了保证时均流速为唯 一固定常数，同时脉动流速在此时问段为零，时删段t 的选取不能太长也不能太短。经 反复试验，对一定点2 0 0 0 个样本流速足以获得稳定的时均流速值。 厣 匿遂 图2 - 3n d v 工作原理示意图 s h i o n oa n dk n i g h t ( 1 9 9 1 ) ”峙日出探头方向存在1 。的误差，则测量的累计误差将达到 1 4 ，因此为了将探针方向的误差降到最小必须确保探头正向和水流方向一致。另外 u l f i c hl e m m i n ( 1 9 9 7 ) 认为水温和水中粒子的浓度会对测量结果产生影响，特别是 粒子浓度，如果过小，测量出的数据将会出现较大误差。 23 实验场次安排及测点布置 23 1 实验场次安排 研究在一定流量下水流流速分布以及紊动强度的变化情况，并改变流量，研究其对 弯道水流流速分布以及紊动强度的影响。 试验水深：01 9 m ，o2 4 m 断面平均流速：o1 5n d s 0 1 7 m s 2 3 2 测点布置 断面：连续弯道水槽前弯和后弯每隔8 。布置一个断面，过渡段布置四个断面。 垂线布置：将梯形断面分为河床段和岸坡段，河床段每隔5 c m 布置一根垂线，岸坡 段每隔2 厘米布置一根垂线。 每根垂在线的测点：水深为2 4 e r a 时，距底2c m 、4c m 、6c m 、8c m 、1 0e r a 、1 2e m 、 1 4c m 、1 6e m 、1 9c m ，2 4 c m 各布置一个测点。当水深为1 9 e m 时距底2e m 、4e m 、6c m 、 8c n l 、1 0c m 、1 2c m 、1 4 c m 、1 6c m 、1 9 5 e m 各布置一个测点。 2 4 连续弯道三维流速分析 以入槽流速v = 0 1 7 m s 为例，说明三维时均流速大小及沿垂线分布，在前后弯的 2 0 0 、4 0 6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 01 2 0 0 断面，选择从凸岸向凹岸r - - 4 4 6 m 、4 6 m 、4 8 m 、5 0 m 、 5 1 4 m 五根垂线，分析时均流速分量v x 、v ，、v z 沿垂线分布规律，断面布置图如下所 t ， 彳 示。并且将流速值无量纲化，用无量纲数毒一来表示弯道水流流速分布规律。( v 表示 0g h 测量点的时均流速，h 为断面水深) 图2 - 4 连续弯道断面布置图 2 4 1 纵向时均流速沿垂线分布特点研究 图2 5 图2 7 为连续弯道纵向时均流速沿水深分布图。可见所有垂线均在底部出现 最小流速。其中愈靠近凸岸的垂线，其纵向流速沿垂线分布愈不均匀，而愈靠近凹岸的 垂线，纵向流速沿垂线分布则趋于相对均匀，形状接近直道上的流速沿垂线分布曲线。 在前弯入口处，断面最大流速偏向凸岸，入弯后主流逐渐向凹岸过渡。在弯项附近， 8 流速最大值开始出现在凹岸，、但此时凹岸和凸岸流速差别不大。水流通过弯顶后，两岸 流速差逐渐增大，前弯的流速在弯顶过后，也就是8 0 0 断面附近出现最大值。 水流通过前弯，进入过渡段，因为边界条件的改变，此时水流流速明显变大，两岸 流速差更加明显。两岸纵向流速沿垂线分布都比较均匀，流速分布曲线形状上和直道上 的流速沿垂线分布曲线十分相似。 水流进入后弯后，靠近凸岸的流速分布重新变得不均匀。由于水流惯性作用以及过 渡段过短等方面的原因，主流出现在凸岸，并且沿程向凹岸过渡的趋势和速度不及前弯。 水流流经后弯弯顶后，凹岸和凸岸流速差开始逐渐减小，说明在弯顶流速分布发生了调 整，主流线开始离开凸岸并向凹岸转移。在后弯出口处，主流出现在中心线附近。后弯 的纵向流速和在弯顶过后，也就是8 0 0 断面附近出现最大值。这一点，后弯和前弯比较 相似。 vx | 函 ( a n g e l = 2 0 0v - - 0 1 7 m s h = o 2 4 m ) nx | 西 ( a n g e l = 6 0 。v = 叼i7 m s h = o 2 4 m ) 9 ( a n g e l = 4 0 。v - - 0 17 m s h = 0 2 4 m ) ( a n g e l = 8 0 。v - - - 0 17 m s h - - 0 2 4 m ) 苦0 4 o o 8 o 6 焉0 a o 2 o o 。o ，o 1 2o 1 4o ，搴o 1 8 yx 厨 ( a n g e l = 10 0 。v - - 0 17 m s h = 0 2 4 m ) v x 4 9 h 。一 ( a n g e l = 1 2 0 。v - - 0 1 7 m s h = 0 2 4 m ) 图2 - 5 前弯纵向时均流速沿垂线分布图 ( v = o 17 m sh - - 0 。2 4 m ) 图2 - 6 过渡段纵向时均流速沿垂线分布图 ( a n g e l = 2 0 。v - - 0 i7 m s h = 0 2 4 m ) o 8 o 6 焉0 4 1 0 0 2 o ( a n g e l = 4 0 。v - - 0 17 m s h - - - 0 2 4 m ) ( a n g e l = 6 0 。v - - 0 17 t r d sh = 0 2 4 m ) ( a n g e l = 8 0 。v - - 0 1 7 m sh = 0 2 4 m ) vxf 西 ( a n g e l = 1 0 0 。v - - 0 1 7 m s h = 0 2 4 m ) o 8 o 6 焉0 4 o 2 o ( a n g e l = 1 2 0 。v = 0 1 7 m s h = 0 2 4 m ) 图2 - 7后弯纵向时均流速沿垂线分布图 2 4 2 横向时均流速沿垂线分布特点研究 图2 8 图2 1 0 为连续弯道横向时均流速沿水深分布图。可见横向流速远小于纵向流 速，分布比较均匀。凹岸和凸岸的横向流速分布比较接近，且数值相差不大。由下图还 可以看出底层和表层横向流速最大，水深中部横向流速较小，并且表层水流和底层水流 横向流速方向相反，表明连续弯道亦会出现比较明显的环流和横比降。 在前弯进口处，横向流速最大值偏向凸岸，然后逐渐向凹岸过渡，在弯顶附近横行 流速最大值出现在凹岸。水流通过弯顶后，凹岸和凸岸横向流速差变得更小，特别是在 表层，两岸的横向流速几乎相等。 水流流经过渡段，由图2 9 可见水深中部以上区域横向流速沿垂线变化很小，这一点 和直道很相似。 由图2 1 0 可见由于水流惯性原因，水流进入后弯后，横向流速不会马上发生变化。 水流流经后弯4 0 。断面附近，横向流速开始发生改变。其中水流中层横向流速方向已经 发生了改变，表明此时水流中部可能已经出现了比较小的反向的环流。并且越靠近凹岸， 横向流速变化趋势越明显。此时两岸的流速差有所增大。由于过渡段长度过短，直到水 流流经8 0 。断面附近，横向流速才基本上完成改变。此时表层水流流向凹岸，底层水流 流向凸岸，表明此时后弯的反向环流已经基本形成。在后弯出口段附近，两岸的横向流 速差重新变得很小，和前弯的流速分布图比较一致。 量 o e o 6 焉0 4 o 2 o o 8 0 6 专0 4 o 2 o v yi 西 ( a n g e l = 2 0 0v - - 0 1 7 m s h = 0 2 4 m ) o 0 2o0 d 2o j d 4 v y | 西 ( a n g e l = 6 0 。v - - 0 17 m sh = o 2 4 m ) - 0 0 2o0 0 20 0 4 v y | 再 ( a n g e l = i0 0 。v - - o 1 7 m sh = 0 2 4 m ) 毛 n ( a n g e l - 一- 4 0 。v = o 。1 7 m s h = o 2 4 m ) ( a n g e l = 8 0 * v - - - - 0 17 m s h = 0 2 4 m ) ( a n g e l = 1 2 0 。v = 田1 7 m s h = 0 2 4 m ) 图2 - 8 前弯横向时均流速沿垂线分布图 1 2 o 6 焉0 4 o 2 o 0 舟 o 6 焉0 4 o o a 专0 4 o 2 o o 0 2 o 一o 0 2 o * v y 4 9 h 图2 - 9 过渡段横向时均流速沿垂线分布图 - o 0 2 。v y ，佰n 。2 州 ( a n g e l = 2 0 0v = 0 17 m s h = 0 2 4 m ) - o j 口20o 0 2o 0 4 v yl 西 ( a n g e l = 6 0 。v - - 0 i 7 m s h = 0 2 4 m ) o e 舌0 4 o 2 o o e o 6 焉o 1 3 o o 0 2 v l , | 西 0 0 20 , 0 4 ( a n g e l = 4 0 。v - - 0 17 m s h = 0 2 4 m ) - 0 0 20 一o ，0 2 0 m v y g h ( a n g e l = 8 0 。v = 0 17 r n s h = 0 2 4 m ) o 8 ( a n g e i = 1 0 0 。v - - 0 1 7 m sh = 0 2 4 m ) ( a n g e l = 1 2 0 。v - - 0 17 m sh = 0 2 4 m ) 图2 - 1 0 后弯横向时均流速沿垂线分布图 2 4 3 三维时均流速大小及沿垂线分布的比较 由三维流速沿水深分布图( 图2 1 1 图2 1 7 ) 可以看出，横向垂向流速比纵向流速小 很多，横向和垂向流速大小差别不大。垂向流速v ，沿垂线变化非常均匀，几乎为一条 直线。且数值接近于o ；横向流速和纵向流速沿垂线变化则不均匀。后弯的横向流速和 前弯的相比，会出现反向。横向流速为零的转折点因垂线不同而异，一般会出现在水流 的中下层；最大纵向流速值出现的位置，视垂线位于不同角度或半径r 而有差异，可能 在水面附近，也可能在水面下某一位置甚至接近水底。由图2 1 4 可以看出，在过渡段面， 三维流速沿垂线分布最均匀。 ( a n g e l = 4 0 。v - - - 0 1 7 m sh = 0 2 4 mr = 4 4 6 m ) ( a n g e l = 4 0 。v - - - 0 1 7 m s h = 0 2 4 m 严4 6 m ) 1 4 焉0 , 4 o 2 o 嵩0 4 o oo 0 5 o 1o 1 5 、| 西 焉0 a o 、t 西 ( a n g e l = 4 0 。v - - 0 17 m s h = 0 2 4 mr - - - 4 8 m ) ( a n g e l = 4 0 。v = 0 17 m sh = 0 2 4 mr = 5 0 m ) 看0 4 o 、 西 ( a n g e l = 4 0 。v - - 0 17 r i d s h = 0 2 4 mr = 5 14 m ) 图2 1 1前弯4 0 。断面时均流速沿垂线分布图 v 万 o j o 蓐 看0 4 o v 西 ( a n g e l = 6 0 。v - - 0 17 m s h = o 2 4 mr = 4 4 6 m ) ( a n g e l = 6 0 。v - - 0 1 7 m sh = 0 2 4 mr - - 4 6 m ) 0 舟 o 6 焉0 4 o o 6 案0 4 o s 暑0 4 o 2 o o v 西 ( a n g e l = 6 0 。v - - 0 17 m s h = o 2 4 mr - - - - 4 8 m ) oo j 0 5o 10 1 5o 工 西 ( a n g e l = 6 0 0r - o 17 m s h = o 2 4 mr = 5 14 m ) ( a n g e l = - 6 0 。v - - - - 0 17 m s h = o 2 4 m 产5 0 m ) 图2 - 1 2 前弯6 0 0 断面时均流速沿垂线分布图 00 0 5o o 1 50 2 n i 西 ( a n g e l = 8 0 * v -