分流对弯道水流水力特性影响的试验研究

1、沈阳农业大学硕士学位论文分流对弯道水流水力特性影响的试验研究姓名：张鹤申请学位级别：硕士专业：水利水电工程指导教师：郭维东20070508独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一可工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：磷锯导师签名；时间；知年月日嘞时间：年嘭月日关于论文知识产权和使用授权的说明本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳

2、农业大学有关保留、使用学位论文的规定，：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）研究生签名：弱乙铂时间：，吖年月口日时间：导师签乡场年。月（。日沈刚农业人学硕士学位论文摘要弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象。弯道水流的动力特性主要集中在水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。水流流经弯道作曲线运动，水面形态和水流结构发生调整和变化。弯道水流特

3、性决定弯道泥沙运动和河床演变的基本规律，对河床演变、河道整治、河岸防护等都有重要的影响。在弯道凹岸设置取水口，就是充分利用了弯道环流的特点，来获取表层含泥沙量小的清水，同时防止底沙进入渠道，从而达到引水防沙的目的。目前这种工程措施在国内外应用非常普遍，是一种较为常见的河道分流形式。分流使河流的水流结构发生改变，引进渠道的水流和继续沿着原河道流动的那部分水流，都要发生流束的平面弯曲，这种弯曲引起的水流变化，其结果可能使大量底沙进入引水渠道。此外，水流在引水分流后，进入引水口下游河道的含沙量并没有改变，但流量的减少使河流自身输沙能力亦相应降低，破坏河道的输沙平衡，产生泥沙淤积，对分流口下游的河床断

4、面形态产生影响，在特定条件下甚至会引起河型的转化。因此，研究分流对弯道水流水力特性的影响，在弯道整治方面具有普遍的实践意义。弯道水流运动所涉及的物理量往往很多，边界条件复杂多变，大多数的研究都是在现有理论的指导下，以实测资料为基础，建立物理或数值模型，进行模型试验，但由于测量技术的限制，对取水口周围水流三维流态的研究还没有趋于完整的理论。基于此，本文以弯道分流水槽模型试验为基础，针对弯道水流特性，采用先进的三维声学多普勒流速仪（）对弯道及取水口附近的水流流速进行系统的测量，获取了有关弯道水流的三维信息，从多方面研究分流对弯道水流流态的影响，最终通过对取水口周围弯道水流三维流场水力特性进行深入地

5、分析研究，为解决同弯道有关的工程问题及其它特性研究提供理论依据。本文采用平底有机玻璃水槽进行概化模型试验，分析了弯道及取水口周围三维水力特性，分别对不同方案情况下弯道自由水面形态、纵向流速分布、横向环流强度、紊动强度分布、雷诺应力分布的变化规律进行了比较研究。研究得出，分流使弯道水流的水力特性更加复杂，自由水面形态发生变化。在流量相同的情况下，随着分流比的增加，主流线的位置发生变化，分流对横向环流削弱的能力加大，底部水体进入取水口的流量和弯道出口处的回流区均加大。在分流比相同情况下，随着流量的增加，分流对横向环流强度的削弱能力减弱，横向环流相对较强，底部水体进入取水口的流量和下游的回流区增大。

6、紊动强度分布和雷诺应力的分布变化也由于分流的影响而变的更加复杂。关键词：弯道取水口分流比横向环流紊动强度雷诺应力摘要，（）。，沈阳农业大学硕士学位论文，￥，：，第一章绪论第一章绪论本课题研究的意义河流按河型可分为弯曲、分汉、顺直和游荡四类。弯曲型河流是冲击平原最常见的一种，亦称为蜿蜒型河流，其外形迂回曲折，且具有蜿蜒蠕动的动态特征。该河型分布较广，一般多出现在河流的中下游，国内的荆江、渭河、南运河、汉江、沅江和辽河等，都是著名的弯曲型河流。长期以来，人们对弯曲河流进行了大量水流规律问题研究，使弯曲理论日趋成熟。对弯曲河流的研究可分为五个基本方面：水流运动、泥沙输移、床面形态、弯道平面形态和河流

7、模拟，并涉及到流体力学、泥沙运动力学、河床演变学及计算数学等多种学科。弯道水流的运动特征，决定着泥沙运动的性质，从而决定了弯曲河流的演变特性。水流流经弯道做曲线运动时，形成一定的离心力，离心力的存在会使原有水流结构的平衡状态遭到破坏，使凹岸水面高于凸岸水面，形成了横比降下的环流，它与纵向水流一起汇合形成了弯道所特有的螺旋流。螺旋流是一种复杂的三维紊流，这种螺旋流通常会引发一系列工程问题和环境问题。弯道水流的特性是引起河床演变的重要因素，研究弯道水流的运动规律与研究河床演变、河道整治、河岸防护等许多问题有着极其密切的关系。弯道水流运动规律的研究，在水利工程学的许多流域，占有重要的位置。曲线运动的

8、弯道水流，在重力和离心力的共同作用下，将产生特有的运动特性，主要表现为水面横比降、横向环流、流速重分布和由于以上种种原因而引起的弯道进口壅水现象。同时，弯道横向环流加剧了泥沙在横断面上的输移，使得凹岸不断被冲刷，凸岸不断发生淤积，增加了河道的弯曲程度，危及堤岸的稳定与安全，影响航道的运行及出现河道改道等现象，严重时会导致河堤倒塌，从而造成水灾，给人民的生命财产带来重大损失。弯道水流虽然给人们带来一定的危害，但是只要因势利导，也能给人类提供一些好处，例如，在稳定的弯道凹岸设置取水口，就是利用弯道水流的特性，获取表层含泥沙量小的清水，同时防止底沙进入渠道；但是在实际工程中引进渠道的水流和继续沿着原

9、河道流动的那部分水流，都要发生流束的平面弯曲，这种弯曲引起的水流变化，其结果可能使得大量底沙进入引水渠道。此外，水流在引水分流后，进入引水口下游河道的含沙量并没有改变，但流量的减少使河流自身输沙能力亦相应降低，会破坏河道的输沙平衡，产生泥沙淤积。如引水工程的分流比较大，则对分流口下游的河床断面形态产生影响，在特定条件下甚至会引起河型的转化。可见如果取水口的位置选择不当就会适得其反，变水利为水害，因此必须充分掌握弯道水流的运动特性，才能够加以合理利用。河道分流现象在自然界中存在较为普遍，分水道、引水渠就是一种常见的河道分流形式，目前，国内外许多研究学者对分流进行了较深入的研究，并能较好地解决工程

10、实际问题，但是这些研究主要是针对引水分流对取水口处水流结构的影响，目的是为了提沈阳农业入学硕士学位论文高取水口防沙减淤的效果；很少有人涉及过关于弯道上修建引水工程后，分流对弯道水流水力特性影响的研究。本课题选择先进的量测手段进行深入系统的试验研究，不仅丰富了水流运动理论，具有重要的水力学方面的理论价值，而且对生产科研方面亦有十分重要的指导意义。弯道水流运动就其本身的水力特性而言已经相当的复杂，而引水分流必然会使弯道的水流流态发生改变，结构更加复杂，取水工程位置选择不当，可能会弓起取水口附近的泥沙淤积，并对河流的主流位置和流向、河道的冲淤演变等产生影响。因此，研究引水分流对弯道水流水力特性的影响

11、，这在弯道整治方面具有重要实践意义，研究成果在河道整治方面也具有一定工程应用价值。最终通过对取水口周围水流三维流场水力特性进行深入地分析研究，为解决同弯道有关的工程问题及其它特性研究提供理论依据。本课题研究的现状弯道水流水力特性研究的现状自年通过试验首次发现了弯道螺旋流，并对弯道环流的形成和断面横向输沙的成因给出了正确的物理描述和机理解释之后，弯道水流作为专题研究一直受到研究人员的关注。经过学者们多年的努力，在弯道运动规律方面取得了许多研究成果。著名学者波达波夫子世纪年代利用方程，得到了二元水流的运动方程，然后借助纵向流速的抛物线型分布公式，导出了环流的垂线分布公式。但该公式仅适用于层流或瞬时

12、紊流的方程，不易导出时均紊流的环流公式。马卡维耶夫（）基于椭圆型流速分布，罗辛斯基及库兹明（）借助于指数流速分布公式，罗索夫斯基基于纵向流速的对数分布等分别提出了弯道纵向流速分布公式，但都很难与实际情况相符合。乌克兰学者罗索夫斯基（）撰写了世界上第一部研究弯道水流的专著，发表了关于弯道水流运动的著名论文。从流体基本方程出发，通过理论分析，用数学公式较精确地描述了水流运动，并用试验加以验证，使成果更具有普遍意义。二十世纪五十年代，等曾对弯道水流进行过比较系统的研究，到七十年代，相继有颜本奇（）、（）、清川、池田和北川（）、（）和（）等对弯道中的紊流进行过理论分析。和通过对南埃斯克河的实测水面线的

13、研究，得出在各级流量下，水面线都是不均匀的，最大比降出现的位置，是与横向环流充分发展，使最大流速区由凸岸移向凹岸，从而产生的局部加速区有关。张洪武于年至年在大小不同的河湾概化模型上，采用的处理方式，并利用弯道纵向流速的实测资料进行分析，得出了比较简便的环流沿水深的分布公式，但仅对在近壁区有明显的优势。孙东坡（）从紊流雷诺方程出发，采用普朗特紊流切应力构架，由此分析确定掺长，探明了明渠二元恒定环流的流速分布，导出了环流流速分布公式。毛佩玉（）在弯道模型试验的基础上，阐明了河流蜿蜒弯曲的必然趋势和河湾内环流伴随主流形成螺旋流动的特征，并对弯道内主流位相变第一章绪论化、环流强度、水面横比降等作了分析

14、，重点研究了环流强度的变化。早在年代，波达波夫根据方程，并假设液体沿圆形轨迹运动导出了沿河宽的流速分布公式，但该公式的前提假设并不成立。卡日尼科夫（）从紊流理论及试验两个方面研究了纵向流速，并假设不存在横向环流，同实际水流运动情况不符。罗索夫斯基从三维水流角度来研究弯道水流问题，并把弯道分成三段研究，由于公式的推导过程中未计及能量损失，故只能在较短距离内使用。黄科院（）于大型河湾模型中的测验结果表明研究弯道纵向平均流速分布尚需考虑弯道的边界条件和来水条件。刘焕芳根据弯道水流运动的边界条件和连续方程式，由雷诺方程沿垂线积分，得到弯道水流垂线平均纵向运动方程式，该公式在一定程度上考虑自由水面变形和

15、了横向水流运动对纵向流速的影响，但仅适用于规则弯道中的水流运动，对断面形状或边界沿程发生变化的情况，公式的适用性就受到限制。等（）根据河量测段的观测资料，对凹岸区域纵向流速分布进行了研究，给出了纵向流速在凹岸区域的经验表达式。王伟、蔡会德（）对矩形断面的人工弯道水深和流速平面分布进行了理论分析，从谢才公式和水面超高公式入手，建立了弯道内任一点水深和纵向垂线平均流速的计算公式。王韦等（年）通过床面切力和流速的断面分布特性分析，说明弯道塌岸出现在进口段凸岸附近和出口段凹岸附近的原因，在弯道的前半部分，高速区和高切力区均位于凸岸，而在弯道后半部分，高速区和高切力区将逐渐移往凹岸。对天然河流中水流速度

16、的紊动特性进行了系统的分析，在美国主要的通航航道上沿六个不同的侧向位置及三个不同的深度随时间量测流速。对量测的流速资料分析包括纵向和横向流速的横断面分布与垂直分布，脉动流速分量及其频率分布曲线，结果表明，最强的脉动流速发生在主河床上部附近。刘月琴（）采用先进的三维声学多普勒流速仪对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究，较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度等；根据试验数据，探讨了弯道水流的紊动机理，分析了弯道水流的紊动特性，得出了弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式；同时还对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较。分流水力特性的研究现状河道分流现象在自然界

17、中存在的较为普遍，因此国内外学者对分流的水力特性进行了较为深入的研究，但是大多数研究主要是针对分汉型河流分流的水力特性，只有极少数人对取水工程水流分流的水力特性进行过研究，并且关于后者的研究主要是针对实际工程应用的，关于取水工程分流的水力特性的基础理论研究非常罕见。丘宜平（）对取水口前沿的水流形态进行了分析，提出了取水口前沿的局部水流运动情况是决定泥沙运动的主要因素，必须通过改善取水口前言的水流条件，才能有效的提高取水口的防淤拦沙效果的理论。曹继文等（）在试验室水槽中通过三维超声波流速仪（）对明渠岸边横向直角取水口的水力特性进行了实验研究。试验结果显示在取水口附近的水流结构具有明显的三维特性。

18、取水口断面流速分布与正常的明渠流速分布不同，其断沈阳农业大学硕士学位论文面的最大流速在底层。并指出对于口门流速的分布还有待于继续深入研究。弯曲河流在世界上分布很广，从世纪以来，就有很多关于弯道水力特性方面的研究，国外的研究远早于我国。无论是国内还是国外，都对弯道水流的动力特征有一些共性认识，主要集中在水面横比降、横向环流、流速重分布等方面。河道分流就其本身的水力特性而言已经相当的复杂，而引水分流必然会使弯道的水流流态发生改变，结构更加复杂。综合国内外研究现状。人们通常只研究分流对取水口水流结构影响，往往忽视了对分流口乃至整个弯道水力特性的研究，弯道水流运动所涉及的物理量往往很多，边界条件复杂多

19、变，很难利用现有的计算公式直接得到确切的数值解，大多数的研究方法都是在现有理论的指导下，以实测资料为基础，建立物理或数值模型，进行模型试验，但由于测量技术的限制，对分流口周围水流水力特性的研究还没有趋于完整的理论。本课题主要研究的内容研究目标及研究内容本文以弯道分流水槽试验为基础，研究弓水工程分流对弯道水流水力特性的影响，使其研究成果适用于各种类型弯道，为解决与弯道引水工程有关的问题提供理论依据。）研究分流对弯道水流的自由水面形态，水面的横比降、纵比降分布的影响；）研究分流对纵向流速分布、弯道环流强度及其分布的影响；）研究分流对弯道紊动强度、雷诺应力分布的影响；）分流比变化对弯道水流水力特性的

20、影响。）流量变化对弯道水流水力特性的影响。第一章绪论技术路线本课题的特点与创新工作弯道水流运动是自然界普遍存在的一种十分复杂的流动状态，以弯道形式存在的险工普遍存在，相应的整治措施也有很多种。本课题以物理模型试验为基础，主要针对分流对弯道水流水力特性的影响进行研究，国内外至今还很少有人涉及过该课题的研究，这是对于弯道整治和河床演变理论研究的一种突破创新。利用先进的三维声学多普勒流速仪对弯道水流特性进行系统的试验研究，能较为全面的研究弯道分流口周围水流的三维水力特性，提高了测量精度，弥补了先前大多数模型试验对弯道周围三维流场研究的不足。沈阳农业大学硕士学位论文第二章弯道取水的基本原理及取水口位置

21、计算公式天然河流几乎都是弯曲的，弯道可以看成是组成河流的最基本的单元。弯道水流由于横向环流的存在，形成弯道中的螺旋流，是一种复杂的三维紊流。弯道水流的运动机理，在水利工程学的许多领域中，占有重要的位置。在弯道凹岸设置取水口，就是利用弯道水流的特性，达到引水排沙的目的。但是要想在弯曲河道合理的布置取水枢纽，就必须充分的理解弯道环流的原理。弯道环流的原理假设有一理论水流通过弯道时，液体质点除受重力外，同时还受离心惯性力的作用，在这两种力的共同作用下，水流除具有纵向流速（垂直水断面）外，还存在着径向和竖向流速，由于这几个方向的流动交织在一起。在河流横断面中产生横向环流，也称为副流，它是一种从属于主流

22、的水流，不能独立存在。正是由于横向环流和纵向主流运动的叠加使弯道水流里螺旋运动状态，液体质点巩就沿着螺旋路线前进，流速分布很不规则。如图所示，为了便于分析研究。假设一理想弯道，即河流的曲率和宽度都不变，取河流中任意一液体质点受重力锄作用，方向垂直向下，还受离心惯性力槐，的作用，方向背离圆心，指向凹岸，所受离心力的大小与液体质量成正比，与所研究液体质点所在河道半径成反比，并与液体质点纵向流速平方成正比。在同一横断面上，如断面，同一条垂线上各点纵向流速分布规律是从水面向河底逐渐减小的，又因离心力的大小与速度成正比，所以同一横断面上，同一条垂线上各点，离心力的大小从水面向河底是逐渐减小的。在理想化的

23、弯道中，取一条水柱作为研究对象，由于离心力的作用，使得凹岸水面高于凸岸水面，在同一横断面上水面产生横比降，这样水柱两侧产生一个水面差，则水面各点均受到，幽大小的水压力，方向由凹岸指向凸岸，与离心力的方向相反。这种水压力与离心力的合力，使得河流上部液体质点指向凹岸，下部液体质点指向凸岸，在该合力的作用下，河流上部液体质点向凹岸流动，下部液体质点向凸岸流动，即横向表层水流流向凹岸，底层水流流向凸岸。在该横断面上形成一个封闭的环形。如图断面，这种横向水流与纵向相互作用的结果，使得液体质点在弯道内形成螺旋流。第二章弯道取水的基本原理及取水口位置计算公式气￥吣图弯道断面示意图弯道环流对河床演变的影响。弯

24、道中水流作环流运动，这样就使得凹岸产生压力差，致使凹岸表层水流有从表面流向河底的能力，同时水流中挟带的泥沙由于受到重力的影响沿垂线分布也是不均匀的，表层水流较清，含泥量小，底层水流较浑，含泥沙量大。同时，纵向水流流速较大，对凹岸产生冲刷，冲刷下来的泥沙顺着底层水流作螺旋流运动，斜向流至凸岸，凸岸底部水流，其流速小，含泥沙量大，在水流转向表层的过程中，水流挟带泥沙的能力降低，挟带的泥沙部分沉积在凸岸，而含泥沙量较小的表层水流斜向流至凹岸。在环流作用下，凹岸不断冲刷，凸岸不断淤积，螺旋水流不断把泥沙从凹岸向凸岸运输和移动。河道中的泥沙经过多年这样的运输和移动，最后导致河道两岸断面不对称，凸岸不断向

25、河道中心淤积并向河道中心扩展，使得整个河道更加弯曲，甚至出现改道。弯道环流的应用弯道河流虽然给人们带来一定的危害，但是只要因势利导，也能给人类提供一些好处，例如，在稳定的弯道凹岸设置取水口，就是利用弯道水流的特性，获取表层含泥沙量小的清水，同时防止底沙进入渠道。但是如果这些工程措施选择的位置不当，就会适得其反，变水利为水害，因此取水口位置的选择是相当重要的。取水口的选址是影响取水效果及保持弯道长期稳定的重要因素。通常情况下，弯道凹岸的取水口位置应该布置在顶点以下水深最大、环流作用最强的地方，因为河流弯曲形状、含泥沙的程度和水流状况的不同，目前在国内外通常采用以下几种经验公式法和估算方法确定取水

26、口位置：杜立涅夫公式苏联学者杜立涅夫根据试验研究得出取水口距弯道起点距离的计算公式三刎划历式中：为比例系数，一般取；为取水口距起点的距离；为弯道中心线半径：，（）沈阳农业大学硕士学位论文为弯道处水面宽度：为弯道起始断面中心线的垂线。该公式认为弯道取水口的最优位置不仅与弯道曲率半径有关，而且与河宽有关，见图。其理论模式是一种有规则的圆弧。与室内试验的结果比较从定性上来说是基本正确的。但由于天然河流弯道不是一个简单的圆弧，河岸参差不齐，且不同水位时形成的弯道形态也不同。该公式在设计中被较多采用，但对挟沙水流的考虑并不充分，有一定的局限性。圈取水口位置图杨松泉教授导出的计算公式杨松泉教授基于弯道水流

27、具有横向环流存在这一事实，认为河流泥沙中的推移质运动时不仅具有沿水流方向的纵向速度，而且还具有从凹岸到凸岸的横向速度。在此前提下，导出防止推移质入渠时，取水口距弯道起点距离的计算公式工：丝伍）（）式中：为弯道曲率半径；为引水渠宽度；为引水渠单宽流量与河道单宽流量的比值；为弯道处水深。该公式符合弯道环流理论，但这种螺旋流无论是对推移质还是对悬移质，都会产生明显的影响。而该公式的局限性是只考虑了推移质的问题。陈文彪导出的公式众所周知，最佳取水口的位置应位于弯道凹岸环流最强的地方。对悬移质而言，由于环流强，使上层含沙量较少的水流流入取水口。含沙量较大的底层水流则离开取水口。输移到凸岸或下游，极大地减

28、少了悬移质进入取水口。对推移质而言，由于环流强，故底部横向流速大，漩度也大。二者都有利于使推移质向凸岸移动，从而防止推移质进入第一二章弯道取水的基本原理及取水口位置计算公式弯道环流理论及野外和室内试验资料表明，在弯道顶点环流最强处，横向流速最大，横向水面比降和纵向水面比降也最大。弯道曲率半径最小。据此，陈文彪得出在考虑悬穗阱（）刘旭东等同志通过试验研究，认为取水口地点随弯道中心角而变，见表。表取水口地点与弯道中心角的关系试验证明估算方法存在的误差较大，取水口的进水条件不一定能够达到要求。经验公式法在不同河道情况下，由于考虑的条件不同，结果也不相同。因此，在选择取水口位置时，应该侧重考虑泥沙入渠

29、的问题。本章小结弯道引水充分的利用了弯道环流的特点，在实际工程运用非常广泛，但是由于取水口位置的选择是个非常复杂的问题，影响因素较多，目前还没有精确的计算方法，用本章的计算公式可做初步确定。对于大型工程，最好通过水工模型试验验证，确定最优位置。沈阳农业大学硕士学位论文第三章模型制作及试验方案模型设计与制作模型设计的基本原理一般的河道模型需要满足重力相似准则和阻力相似准则。本试验模型为概化模型，没有实际原型参照，模型试验只考虑重力相似准则以控制模型水流。一般明渠水流通常为缓流，为了使模型与实际明渠水流有一定的相似性，本文控制佛汝德数小于以控制水流为缓流，雷诺数大于以控制水流为紊流。模型制作依据上

30、面模型的设计准则，整个试验模型为概化物理模型，主要由干水槽和支水槽所组成，干槽用于正常过流主要由上、下游过渡直断和弯道段所组成，均为有机玻璃制造。根据天然河流弯道中心角出现的频率，选择弯道模型的中心角为。弯道的过水断面为矩形，底宽，高，弯道中心线艟率半径与底宽比值为。模型上游进口处设有两道稳流栅和长的过渡直段，避免进口水流的紊动对弯道水流产生干扰；为了使弯道出口水流有足够的过渡段进行环流的衰减，使出口水流平顺下泄，在弯道出口段设置长的过渡直段，过水断面尺寸与弯道断面尺寸相同。参考第二章所介绍的经验公式，取水口的位黄选择在与弯道起始处成角的凹岸处，并使弯道的中心线与取水口的中心线夹角为，在天然河

31、道中该布置形式能最大限度的达到引水防沙的目的，避免泥沙进入取水口。支槽主要用于分流，过水断面同样为矩形，底宽，高，中心线长。在干槽和支槽的末端处均设置了尾门，目的是为了控制水槽的水深，同时也为防止尾水的跌落而对上游水流流态产生影响。整个试验的循环水系统包括水库、泵站、量水堰、上游调节稳流栅、概化弯道模型、下游尾门和循环回水廊道等装置，模型平面布置情况如图、和照片、所示。圈模型平面总体布置图（单位：）（：）图模型局部平面布置围（单位：）：）第三章模型制作及试验方案照片试验模型总体布置照片试验模型局部布模型水力要素设计本试验主要研究分流对弯道水流水力特性影响，由于研究的内容的不同对分流比的定义也各

32、不相同，本文定义的分流比为流量之比，支干，其中千是上游干槽来流流量；支为支槽分流流量。试验过程中于是利用矩形薄壁堰进行控制的，支是通过尾门控制调节的，并通过实测数据利用公式支计算得到的，通过网格划分将支槽内靠近取水口的过水断面划分成多个网格，代表的某一网格的过水断面的面积，是该网格的平均流速，可以通过所测得，具体网格划分可参见。本文共做了五组试验来对比研究分流对弯道水力特性的影响，这里需要说明的是，试验过程沈阳农业大学硕士学位论文中通过尾门的控制，使干槽取水口口门下游段水深与上游来流水深始终保持近似相等，主要试验方案及参数见表一。表试验方案及参数说明：模型弯道进口断面平均流速：弯道上游平均水深

33、；一雷诺数；一弗汝德数模型制作精度控制依据水工（常规）模型试验规程规定，整体模型地形高程误差小于，平面距离误差小于，漏水量不超过试验最小过流量的，本模型在制作过程中严格按照此规定制作，使用水准仪进行校平。对模型进口段引水渠采用两道塑料纸进行了防水处理，在模型接口部分采用玻璃胶做了防水处理，试验放水表明，从进口段引水渠至出口段尾门，可以达到试验要求。本试验利用矩形薄壁堰控制流量，测流速，水位测量采用量水测针，精度为。试验的测试方法测量仪器模型试验采用美国公司生产的声学多普勒流速仪（）进行流速测量。该仪器为非接触式流速仪，对所测的取样点没有直接干扰或干扰很小，能够直接测量三维流速，其测量精度高，无

34、需率定，操作简便，为分析水流的三维特性提供了极大方便。实验装置在照片所示。第三章模型制作及试验方案照片实验仪器装置主要由测量探头、信号调理和信号处理三部分组成。测量探头由三个或的接收探头和一个发送探头组成。三个接收探头分布在发射探头轴线周围，它们之间的夹角为。，接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之间的夹角为。，采样体位于滩头下方，这样可基本消除探头对水流的干扰。信号调理器由检测微弱反射信号的模拟电路组成，数字信号处理由一个单独电路板完成，主要针对输出频率为的实时三维流速测量值的计算。的信号和各种流动参数处理由在与之相连的计算机内自动完成，它提供的数据文件为文本文件，可方便的由进行处理。在试验

35、中，频移是由水中粒子的运动产生的（要求试验用的水不能是纯粹的清水，需含有一定的颗粒物），它们所引起的频率变化称多普勒频移。其测速原理就是多普勒效应：。一一（）其中：如。是接受频率的变化（多普勒效应）；为发射相位的频率；为声速；为发射探头与接受控制体积的相对速度。的测量很重要的参数是采样体距离发射探头约为，是一个圆柱体（体积为），由探头发射超声波，遇到控制体后反射，并由接收探头接收反射的信号，因此，测量的实际是控制体与发射探头的相对运动速度，如图所示。沈阳农业大学硕士学位论文田测试原理由于粒子速度比声速要小的多，按上式得到的多普勒频率就非常小，因此不能使用上式作为实用的测量方法。采用了脉冲相干处

36、理技术，即发射探头发出两个时间滞后分离的脉冲，测量出每一个返回脉冲的相位，两个脉冲之间的相位差正比于水中粒子的速度，据此可求出水中粒子的速度，从而得出水流速度。发射探头发出一束已知频率的声音脉冲，并在水中沿其声速轴传播，当脉冲通过采样体时，声音能量在所有方向上由水中的粒子反射，反射的部分能量沿接收探头轴被的接收探头接收，并由信号调理部分测量出频率的变化，再由信号处理部分计算出水流的三维流速。的测量探头有三种，俯视探头、侧视探头和仰视探头，本试验只用了一个俯视探头。照片三视探头流速的测点网格布置及水位测点网格布置流速测点网格布置如图所示，弯道进出口处前后各布置两个断面，间距为，弯道段径向每布置一

37、个断面，主河槽共布置了个测流横断面，即、。分水槽布置了个横断面，除第一个横断面外，其它断面间距均为。本试验主要针对弯道水流的三维水力特性进行研究，由于弯道水流的结构复杂，为了能够准确地反映流场的变化情况，因此对测速点的空间网格进行加密，干槽每个断面在距两岸边壁第三章模型制作及试验方案处均匀的布置条测速垂线，垂线间距为；支槽测速垂线布置与主水槽基本相同，每个断面布置了条垂线。沿水深方向每条测速垂线等间距布置个测点，这个模型共有测点个。需要说明的是，本试验测速网格不包括水面以及两岸边壁，在数据处理过程中，边壁流速按零值计算。水位测点的除了增加边壁测点外，其他布置情况与流速测点网格相似，沿水平面方向

38、布置了个测点。（）横断面测速垂线分布（）千槽流速测点布置图流速测点分布（）支槽流速测点布置试验数据的处理试验数据处理分预处理和后处理两部分。提供的数据文件是格式的文件，还不能直接用于数据后处理，需将它编译成可读的文本文件。这里采用专业数据编译软件进行数据预处理，可直接将所测得信息过滤成文本文件，再用表格导入数据进行编辑。由于测点是按柱坐标布置的，为方便数据后处理，这里将其转换为直角坐标。数据预处理只是数据处理的中间过程，方法很简单，不会花费过多的时间。如图沈阳农业大学硕士学位论文为预处理界面。由于在采样的前十秒内，采样频率不稳定，采样数据误差很大，因此在处理过程中，舍去了这部分数据。圉数据处理

39、界面够研凼”关键是数据后处理，数据后处理是数据分析的基础，对研究结论影响很大。本试验采用专业数据绘图软件分析数据，是交互式的大型工程测试和复杂数值计算结果的可视化工具。可将大量的科学数据直观、快速地显示出来，方便地分析其特征、规律（如微波、涡流、驻点和分离线的位置及形状等）。集图、二维三维曲面以及空间立体的数据图形显示功能于一身，具有多种绘图方式：等值线面、网格、向量、流线、轨迹、投影和散布符等。可以支持个窗口同时处理组不同的数据，每组数据又可根据其形状或参数分为多个子区。各窗口可以处理不同的几组数据或子区，选择不同的绘图组合方式；优化动态内存管理使得每组数据可由无数个数据点组成，而每点又可以

40、设置多个参数，一般的图形只需几秒钟即可快速绘出；用户可自定义外部函数来修改或产生新数据，对数据进行镜面映射、旋转变换、局部提取和缩放等操作。还提供微分算子用于计算微分、导数和梯度。对硬件环境要求不高：硬件环境适合于以上微机以及、等工作站；需要跏以上硬盘、内存和各种显示器；软件环境支持、等操作系统；图形输出可通过和打印机实现单色或彩色输出，支持幻灯片制作和笔式绘图输出图形，还可产生文字排版、印刷系统能接受的后备处理文件。对于本试验，主要获取的是水位等值线图、流速等值线图、矢量图、流线图。如图为生成的流速空间网格及平面网格。第三章模型制作及试验方案一【）、围生成的空间及平面网格提供两种数据类型：（

41、有限单元型）和（有序型）。对于本试验而言，流速测点和水位测点分布较为规范，采用了数据，分成千槽和支槽两个区（）。的格式数据有两种排列方式：和，这里采用格式排列数据。本章小节本文通过查阅大量的资料，以相关理论作为基础，对弯道模型进行设计，确定了最优取水口的位置，使其研究成果可同样适用天然河道。试验对模型的制作和安装的精度进行了严格的控制，误差满足水工（常规）模型试验规程精度要求。美国公司声学多普勒流速仪（）是一种高精度测速仪器，试验前研究了其工作原理及采样过程，合理选择了测试参数，确保的测量精度。根据其工作原理绘速网格及水位测点网格，针对研究重点，测点网格采取疏密结合的方式，以便更高效的研究弯道水流水力特性。本试验数据处理主要是利用进行的，结果表明，它能对弯道水流的三维水力特性进行有利的分析，将它引入到水力学模型试验的数据处理上，效果也很好，很值得推广。沈农业大学硕士学位论文第四章弯道水流水面形态分析引言水流流经弯道作曲线运动时，离心力的存在使原有水流结构的平衡状态遇到破坏，引起自由水面的变形，具体表现为横断面上凹岸水位高，凸岸水位低，有明显的横比降存在，而且各过水断面横比降的大小也不相等。当弯道不设置取水工程时，最大横比降出现在紧靠弯顶断面的附近，随着流程的增加，横比降逐渐减小，直至弯道出口断面，横断面比降仍有一定数值，出弯道后迅速消失。在弯道凹岸设置了