低含沙水流运动特性综述

1、低含沙水流运动特性综述            摘要：本文着重综述了清水水流(在固定可动边界条件下)、挟沙水流的流速分布特征、紊动特性、能量间分配关系等流动现象的内部规律，并系统分析比较了它们的异同，文中还兼论了卡门常数。 关键词：清水水流 挟沙水流 流动规律  1 引言拟序结构的研究丰富了人们对湍流的认识，近年来非线性科学的发展对湍流研究起了很大的推动作用。流体运动过程中的流速能量分布关系及其规律和猝发的特征及性质，一方面是研究挟沙水流等的基础，另一方面本身有其重要

2、的理论意义和实践意义，本文探讨低含沙水流和清水特性的异同。2 猝发现象猝发现象的具体描述参见有关文献1，研究表明：当Reh=uh(u为平均流速，h为水深)>10000时，用外部参量(u，h)无量纲化猝发周期T是不正确的，和混合参量(,h,u*,u)相比，最佳参量是用内部参量(,u*)无量纲化猝发周期并推导知：(u2*TB/190)(y+=yu*/+15)。2研究了零压力梯度下光滑平板和零压力梯度下表面糙度由粗糙向光滑转变时内部边界还未恢复局部平衡情形时的猝发规律。在猝发现象中，引射(Ejections)时对应的速度脉动为U<0,V0,扫掠时，(Sweeps)对应的速度脉动为U>

3、;0,V<0,U、V分别为流向和法向脉动速度。正是引射所引起的动量、能量、涡度交换对内外层的相互作用有重要影响，进而影响摩阻流速的大小。3观察发现，每一个流层(位于缓冲层)中的流条上升都和对数层中的扰动有关，他们发现猝发和对数层作用所引起的扫掠对下游很远处的猝发产生都有影响，和扫掠相联系的对数层中的高剪切区是由展向涡或上翘流向涡(例如部分发夹涡)所引起的。4猜测局部的逆压梯度是由于上举所产生或引起上举的原因。5指出广泛存在于近壁区中的是j-形涡而非如原来认为的大量马蹄形涡。Morrison,J.F,Subamanian,C.S,P.Bradshaw采用象限分析法分析了扫掠(u>0,

4、v<0,(U、V)以+为上标表示)和引射(u<0,v<0,(U,V)以-为上标表示)对U、V值的影响(为方便计在本猝发部分以小写的u、v示脉动值，以大写U、V示平均流速值)，有        这里(3) 这里n0,m0,=表示湍流平均，-表示非湍流平均(为简单计，这里只讨论光滑情形)。     在外区，引射较扫掠更频繁发生，因而对当地剪切贡献更大，在内层中，二者对剪应力贡献大致相等，发生总时间也大致相同。在整个边界层厚度中，引射较扫掠对u2和v2贡献更大，二者之和约为

5、40%的u2-uv和v2-uv，由图1中易知引射和扫掠控制着能量和切应力的惯性传输。(4) 由式可知：卡门常数是流体运动内部流场特性的参数，从一个局部平衡区到另一个局部平衡区，卡门常数也在变化，即卡门常数是一个反映流体运动特性的局部量，是空间点坐标和时间的函数，但卡门常数又是流体运动性态的一个系统整体参数，而非独立的变量。准确地讲，又称之为卡门参数。6分析了和无量纲化的猝发周期，较同条件的清水在近壁区明显增大。文献8的研究结果表明，悬浮泥沙的尺寸和波数增加，将使底壁水流更容易猝发，流动雷诺数增加将抑制猝发；泥沙的纵向流速比水流纵向流速大得愈多，愈不容易导致流体猝发的形成，但当泥沙的纵

6、向流速比水流的纵向流速为小时(天然情形中常常这样)，较易导致猝发的产生。9的研究表明，泥沙尺寸在一定范围内愈大，将使猝发次数增加，使湍流度和雷诺应力增加；泥沙含量增加，使猝发频率和流条平均空间尺寸不变。观察表明，似乎是近壁区的低速流条的上升和破裂控制着泥沙的传输，泥沙大部分在低速流条区积聚，后被流体上举带离床面，开始运动的。10的研究再一次表明，猝发历时随壁粗糙度的增加而减少。顺便指出，11研究高分子减阻中，相同摩阻流速条件下，减阻液和清水中两种情形下猝发历时和猝发空间长度之比值都近似为一常数值，约为1.67。    2007-04-23 &#

7、160;          3 平均流速和脉动流速3.1 流速分布对流速分布的研究(这里以明渠为研究对象)人们作了大量工作，自从普朗特提出流速分布的对数公式后，50年代12曾给出了在整个边界层都适用的流速分布公式umax-u/u*=1/kln(/y)+/k f (y/)(5)式中 k为卡门常数，为边界层原子度，/k f (y/)为尾流函数。据1314的研究，在明渠中，可以认为对数率一直适用到水面，即认为尾流函数为零。这里采用窦国仁流速分布公式(7)在上述流速分布公式中，对如下变换群变换，其形式保

8、持不变1=,u1=-u(8) 上述变换也称之为重整化群变换，(为重整化群参数)。在粗糙和过渡情形时，16经过研究后认为令    2007-04-23        (10)易知，在上述流速分布公式中，若令 (12)(14) 式中 k为卡门常数，为边界层原子度，的大小的量)可参看图2。，则有(16)(19)平均流粘性耗散能相对于E3所占的百分比  若u*y/0，5 则E1/E3=87.3%(20)若u*y/5，10 则E2-E1/E3=9

9、.2%(21)若u*y/0，10 则E2/E3=96.5%(22)若u*y/10，15 则E4/E3=3.4%(23)顺便指出也可依照Ex无任何实质性困难的求出。    3.3 湍流现象    其实针对湍流概念，18给出了一个极好的描述，它联系了涡运动与紊运动的物理关系，以及表达了紊运动在时间和空间上都是一种局部现象。令1/t=粘性应力/紊动应力=（du/dy）/-uv(25)对于充分发展紊流取u*/11,u*y/12,k=0.4知(采用窦国仁公式)t1.5(26)    在湍流流速场分布中，19找到了如下的速度场之间的广义自相似性关系x=x,t=t1-,V=V,（p/）=2（p/）,=1+(27)    2007-04-23         其中为标度指数。针对柯尔莫哥洛夫的湍流物理图象，20提出了模型。由模型知，令间歇现象的维数为D，则(32)26的研究表明，理查逊数亦可写为悬浮功与时均流提供的脉动能量之比，即图3 卡门常数k值与粒径间的关系Relation between Karman k and particle d13"窦国仁。明渠