水流流速场实验

水流流速场实验 模型试验港航 引言 水流是泥沙运动的主要动力 在与河床 建筑物之间的相互作用中起到决 定性的因素 掌握和了解水流结构及其运动变化规律 是研究和分析河床变形 建筑物相互作用的基础 水流流速场试验系在试验水槽中完成的 综合试验水 槽是一座循环供水的多功能性教学试验水槽 水槽断面宽 1 2m 高 0 4m 纵 向长 16 6m 设有直线段 10m 和弯曲段 6 6m 水槽两侧装有自动水位测试仪 器 另水槽配有流速测量仪器若干 一 实验目的 掌握和了解水流结构及其运动变化规律 二 实验内容 1 测量和研究顺直水槽段两侧水位的沿程变化规律 2 测量和研究弯曲水槽段两侧水位的沿程变化规律 3 测量和研究顺直水槽段水流流速沿程 沿水深的变化规律 4 测量和研究弯曲水槽段水流流速沿程 沿水深的变化规律 5 计算各流速测点的垂线平均流速 推求和研究垂线平均流速沿程 沿宽 度的分布规律 三 实验要求及注意事项 1 要求做实验前 了解实验内容 理解实验原理 明确实验目的 2 实验前熟悉具体的实验步骤 记录好有关常数 3 实验时同组之间注意分工明确 协调合作 4 在整个实验过程中 要特别注意保持安静 切勿人为扰动水流 造成人 为误差 四 实验仪器及设备 主要实验设备及仪器包括试验水槽 水尺 旋浆式流速仪 采点箱 试验 水槽 如图 1 是一座循环供水的多功能性教学试验水槽 水槽断面宽 1 2m 高 0 4m 纵向长 16 6m 设有直线段 10m 和弯曲段 6 6m 弯曲段中轴线弯 曲半径为 3m 五 实验原理 如图 2 所示 在顺直水槽与弯曲水槽各设置 3 个测流断面 每个测流断面 设置 3 条测流垂线 测量并记录每条垂线处的水位 每条垂线沿水深测量和记 录相对水深为 0 2h 0 4h 0 6h 和 0 8h 处的流速 根据测量记录的数据分析 顺直水槽段与弯曲水槽段水位沿程 沿水槽宽度的分布规律以及水流流速沿程 沿水槽宽度 沿水深的分布规律 图 1 循环供水的多功能性教学试验水槽 六 实验步骤 1 阅读和掌握实验目的 实验要求以及实验内容 2 熟悉和掌握精密水位仪的使用原理与操作方法 3 熟悉和掌握旋浆式流速仪的使用原理与操作方法 4 开启水泵 调节水槽尾门 保持沿程水流恒定状态 并观测 记录水位 5 分别在顺直水槽与弯曲水槽段设置测流断面 每个断面沿水槽宽度设置 3 个测流垂线 每条垂线沿水深测量和记录 3 5 点流速 6 根据实验结果 整理并分析有关数据 绘制顺直 弯曲段水位 流速分 布规律图 七 数据记录与处理 1 各断面水位与测点流速数据记录与处理 表 1 各断面水位与测点流速数据记录表 水 深 cm测点流速 cm s 垂线平均流速 cm s 断 面 编 号 断面 距 进水 口 长度 cm 垂线 1 垂线 2 垂线 3 相对水 深位置垂线 1 垂线 2 垂线 3 垂线 1 垂线 2 垂线 3 0 2h37 1 35 6 31 4 0 4h43 4 40 5 43 9 0 6h45 1 41 9 41 3 120012 5 12 2 11 9 0 8h41 3 40 8 40 8 43 4 40 5 43 9 0 2h37 7 33 4 42 5 0 4h41 9 30 8 40 0 0 6h36 0 26 5 36 0 240012 0 11 7 11 4 0 8h44 8 30 5 41 9 41 9 30 8 40 0 0 2h39 6 35 4 38 5 0 4h41 7 34 3 38 8 0 6h45 7 40 2 41 7 359012 0 11 9 11 7 0 8h49 3 40 5 41 1 41 7 34 3 38 8 0 2h39 4 38 5 41 9 0 4h41 3 41 9 41 9 0 6h43 0 45 1 48 2 471012 5 12 0 11 5 0 8h41 1 37 7 39 6 41 3 41 9 41 9 0 2h42 8 39 1 39 1 0 4h43 9 39 4 37 3 0 6h43 0 38 8 38 8 586012 0 11 5 11 0 0 8h42 2 39 1 36 8 43 9 39 4 37 3 0 2h40 2 35 1 37 7 0 4h50 5 41 9 39 6 0 6h51 4 42 8 39 4 6104812 0 11 5 11 0 0 8h52 2 41 1 38 5 50 5 41 9 39 6 0 2h43 4 43 4 40 5 0 4h51 9 47 0 44 5 0 6h42 8 45 9 41 1 7129811 5 11 5 11 4 0 8h41 1 45 9 36 2 51 9 47 0 44 5 注 垂线 1 靠近水槽左岸 垂线 2 位于水槽中间 垂线 3 靠近水槽右岸 垂线平均流速近似取每条垂线水深为0 4h处的测点流速 2 水位沿程变化图 图 3 水位沿程变化图 3 水槽直线段 以断面 2 为例 流速垂向分布图 图 4 断面 2 流速垂向分布图 4 水槽弯曲段 以断面 6 为例 流速垂向分布图 图 5 断面 6 流速垂向分布图 5 垂线平均流速沿程变化图 图 6 垂线平均流速沿程变化图 八 成果分析及实验小结 水位沿程变化 如图 3 顺直水槽前半段水位有小幅度下降 后半段水位 先是上升然后一直下降到弯曲段进口处 弯曲段在顶冲部分之前 凹岸水位上 升 凸岸水位下降 过了顶冲部分 凹岸水位开始回落 凸岸水位开始回升 弯曲段中间水位基本保持不变 顺直水槽段 水流流速沿水深分布 见图 4 断面 2 实验数据不太理 想 在 0 6h 处的流速有个极小值 与实际情况不符 理想情况下 时均流速沿 水深自水底到水面 纵向流速逐渐增加 呈指数型分布 弯曲水槽段 水流流速沿水深分布 见图 5 断面 6 弯曲水槽段 水 流呈螺旋式运动 流速分布相对复杂 从图 5 可以看出 断面 6 水槽右岸 垂 线 1 相比于水槽左岸 垂线 3 和中轴线 垂线 2 水底流速和表面流速都 是最大的 且流速从水底到水面逐渐变大 中轴线 垂线 2 和水槽左岸 垂 线 3 流速沿水深分布相对均匀 这是横向环流增强水平流层间动量交换导致 的 垂线平均流速沿程变化 见图 6 顺直水槽段流速略有减小 水槽右岸 垂 线 1 流速最大 其次是水槽左岸 垂线 3 最小的是中轴线 垂线 2 弯 曲水槽段流速沿程增加 水槽右岸流速最大 其次是中轴线 最小的是水槽左 岸 九 实验思考题 1 弯曲水槽两侧水位是否相同 哪一侧水位会升高 为什么会有这种差别 答 弯曲水槽两侧水位一般不会相同 在没有其他外在因素的影响下 弯曲水 槽外侧水位高 当水流在弯曲水槽中流动时 水流所受质量力 除了重力外 还有因作曲线运动产生的离心力 水流为了平衡这个离心力 通过调整 使得 凹岸方向的水面增高 凸岸方向的水面降低 形成水面横比降 2 流速垂线分布呈现什么变化规律 一般可以拟合成几种流速垂向分布的经验 公式 答 一般地 水流纵向时均流速自水面到水底逐渐减小 但流速垂线分布 规律根据水流运动性质不同分为两大类 一类为层流流速垂线分布规律 另一 类为紊流流速垂线分布规律 一般地 二元明渠层流流速垂线分布呈抛物线分布 紊流流速垂线分