双向环形水槽流速分布规律试验研究.docx

1、泥沙研究2014年10月JournalofSedimentResearch双向环形水槽流速分布规律试验研究王捷，周晶晶，张长宽(河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098)摘要：环形水槽以其能滴足细颗粒泥沙沉降所需的距离要求、无流入口和流出口的影响巳被广泛使用在细颗粒泥沙运动规律的研究中。为最大程度地削弱横向流，采用环形槽、剪力环同时反向旋转，拟合出剪力环和环形槽的最佳转速比曲线，并在清水率定的过程中采用旋浆式流速仪测最不同水深、多级转速下环形水槽的分层流速。试验数据表明环形水槽中线处垂线流速分布呈S型.流速在边界处有较大的梯度，在流场中心区域分布较均匀，可用三次函数进行拟合。流速沿

2、槽宽呈线性分布，由外壁向内壁递减，使得各断面流速分布相同，可以模拟无限长直水槽。关铸词：环形水槽；流速分布；细颗粒泥沙；转速比；二次流中图分类号:TV131.65文献标识玛：A文章编号：0468-155X(2014)05-0032-06流速分布规律是研究水流泥沙运动的基础。水流的内部结构、能量传递过程及阻力特性等各种动力要素均与流速分布相关或以流速分布体现。国内外进行的探求流速分布规律的水槽试验研究大多针对直水槽，对环形水槽的研究及规律揭示相对较少。环形水槽作为研究细颗粒泥沙运动特性与污染物传播规律的较理想设备，现已越来越多地被使用在海岸河口泥沙的水力特性试验中，特别是在泥沙侵蚀、沉积、输运等

3、方面。国内外对环形水槽的研究主要集中于将其视为一种有效手段，进行水沙运动规律的基础理论研究或与实际工程项目结合，用以指导工程建设，而对于环形水槽内部水流结构的研究也主要以数值模拟为主，同时结合实测资料服：。因此利用水槽实验的大量实测资料，系统地探求环形水槽中的流速分布规律十分必要。本文主要讨论环形水槽中流速的分布规律，为利用环形水槽所进行的泥沙试验研究中现象的解释提供流场理论基础。1双向环形水槽简介黏性细颗粒泥沙沉降速度很小，其沉积达到平衡常常需要数小时，直槽因占地面积的限制而无法满足细颗粒泥沙沉降所需的距离要求，环形水槽则可把直槽的纵向长度尺度转换为时间尺度，即通过延长实验时间达到稳定沉降的

4、目的；双向环形水槽是在剪力环和环形槽的剪切力和惯性力下形成水流，不需要设回水系统和消能设施，故不会产生直槽研究细颗粒泥沙絮凝问题时水泵搅动破坏絮团等问题，也能避免泥沙损失及水库清淤工作。同时，环形水槽还具有结构简单、操作方便的特点，各种试验条件如水深、水流速度、水体含盐度、含沙量等均可方便地进行调节。环形水槽主要由环形槽、剪力环和传动系统三部分组成，如图1所示。当环形槽转动(剪力环不动)时，由于相对运动，水槽内形成与环形槽运动方向相反的水流，断面上产生表层向内，底层向外的副流，因此底部泥沙颗粒随主流方向沿环形槽外壁运动。当剪力环剪切水面转动(环形槽不动)时，水槽收稿日期：2013-10-21基

5、金项目：高等学校博七学科点专项科研基金项目(20110094120020)作者简介：王捷(1990-),女，江苏盐城人，硕土研究生，主要从事河口海岸水动力及泥沙运动方向的研究。E-mail：wan(yie900915通讯作者：周晶晶。E-mail：zjj图】环形水槽结构示意图Fig.1Diagramofrotatingannularflume内形成的水流方向与乾力环运动方向相同，断面上产生表层向外，底层向内的副流，因此底部泥沙颗粒随主流方向沿环形槽内壁运动。当环形槽和剪力环以一定转速比同时反向转动时（形成的水流方向与剪力环运动方向一致，与环形槽运动方向相反），两者产生的断面副流基本抵消，环形水

6、槽中部水流的横向力达到平衡状态。因此环形水槽除了要形成水流之外，关键是要采取有效措施，合理调节环形槽与剪力环的转速比，最大限度地削弱横向流，尽可能减小其对泥沙运动的影响。环形水槽使用前，必须利用模型沙等示踪物进行率定，使其沿中线运动（将中线视为横向流基本消除的代表垂线），将横向流控制到很小状态；从而确定环形槽与剪力环的最佳转速比。本文是在对环形水槽进行清水率定时，通过流速仪测鱼出两种水深、多级转速下水槽中线处的分层流速,通过分析比较，探求其分布规律。2试验概况试验采用河海大学新建的D280环形水槽，该水槽尺寸为280cm（外径）x240cm（内径）x50cm（水深），用无色透明有机玻璃制造，沿

7、外壁一周不同高度处都设有取样孔，同时配套了控制系统及数据采集系统，能实现水槽运转时环形槽、剪力环的转速控制及剪力环位置的升降控制，无线遥测流速。图2环形水槽取样孔分布Fig.2Positionofsamplingholesaroundtherotatingannularflume试验采用南京水利科学研究院研制的NKY04-L1型旋浆式流速仪（光电式）测量流速。槽内水深可以由剪力环调节。剪力环与水面相切，其升降可实现实时人为控制。试验采用20cm和30cm两种水深。每种水深下通过改变环形槽和剪力环转速构造出多组流场以分析流速分布规律。其中环形槽底部中线处的线速度（下文中简称环形槽转速）从F.9c

8、m/s到88.2cm/s按一定倍数递增，共有12级流速梯度。相对应的剪力环转速则是根据示踪沙在中线位置处运动（消除横向流）而确定。每个流场下的测点是根据取样孔位置选择距离槽底不同的高度，安装旋浆式流速仪测量其中线流速，取样孔分布见图2,为方便试验对取样孔进行编号110,括号内数字为取样孔中心距离槽底的高度（cm）o每个测点的流速测量时间为400s左右。试验水流保持恒定均匀紊流状态。为避免高速水流下旋浆飞速转动时扰动其他测点处的流场，每组布置两个流速仪，并使其距离尽量远，防止互相影响。3试验结果与分析3.1环形槽、剪力环转速比本次试验采用模型沙进行清水率定，当其沿中线运动时，认为横向流被控制在很

9、小的状态。根据试验采用的20cm水深和30cm水深时环形槽、剪力环的转动周期及其转速比可知，当环形槽转速一定时，为消除横向流影响，30cm水深比20cm水深所需剪力环的转速更大。随着环形槽、剪力环转速的增大，剪力环和环形槽的转速比整体上呈减小趋势。每种水深下根据12组环形槽、剪力环的转动周期，拟合出其关系曲线（图3）,呈线性相关，且20cm水深和30cm水深下拟合的相关系数分别为0.997和0.989,当变化环形槽转速时，可利用该线性关系直接求出削弱横向流条件下的坂力环转速。0501001502000环形槽周期/s(a)方=20c50100150200环形槽周期/s(b)A=30ca图3环形槽

10、、剪力环周期关系Fig.3Relationshipbetweenrotatingperiodoftheflumechannelandthetopring3.2垂线流速分布规律试验中，流速仪安装位置与取样孔共用，则可准确分析出水槽内分层流速的分布。由于流速仪随着环形槽一起转动，故本文中所测得流速均为相对于环形槽的流速值。剪力环的剪切作用带动水体运动,则由贴于壁面的黏性流体质点和壁面之间无滑移的边界条件可知，水体在顶部的流速等于剪力环在各个转速下的线速度。对液体微团受力分析可知，与环形槽相接触的底部液体与环形槽的相对速度为零。由于各水深、各转速下垂线流速分布图大致趋势相同，故以20cm水深和30c

11、m水深环形槽转速叫分别为49.0cm/s、58.8cm/s、68.6cm/s作示例。353025 -MQ.Ocm/s ,=58.8cm/s 8.6cm/s u=49.0cm/s %58.8cm/s35uA-68.6cm/s3050100150200流速/(cm/s)(a)h-20cm250300350020550100150200250300350(b)/r=30cm图4水槽中线处垂向流速分布Fig.4Verticaldistributionofvelocityatthecentrelineofthechannel图4可以看出，环形水槽中的垂线流速分布呈S型，流速自底部向上先增大后减小再迅速增

12、大，其中顶部流速远大于同一垂线上其他各点的速度，在水槽的顶部存在较大的流速梯度,而在S型曲线上拐点以下的流速变化梯度较小，即不考虑边界的影响，水槽中部的流速较为均匀稳定。20cm水深时，下拐点出现在距离底部5.5cm处,30cm水深时，下拐点出现在距离底部9.8cm处，即下拐点出现在自底部向上约1/3水深处。同一水深下，垂线上各点流速的均方差随环形槽转速的增大而增大，变差系数（均方差与均值之比值）基本维持不变，且20cm水深时的变差系数小于30cm水深时的变差系数，即20cm水深的垂线流速分布较30cm水深更均匀，更集中。30cm水深时S型分布较20cm水深更显著。这是由于20cm水深的宽深比

13、较30cm更大，水流更接近二元流动。由于环形水槽水流的复杂性，单纯的数学推导很难得到其中线处的垂线流速分布，通过多组试验发现不同水深、不同环形槽和剪力环转速下，流速分布均呈现出顶部和底部的边界内有较大的流速梯度,而边界之外的流场中心区域流速分布均匀的特点。考虑边界的流速分布和中心区域的流速分布不同,并更准确地反应流场中主流区域的流速分布，减小边界突变点对拟合精度的影响，故不考虑边界范围内的流速分布，仅在流场中心区域拟合出流速的垂向分布曲线，并对流速u和测点距底部的距离y进行无0.200.200.280.240.80.00.2图5u/u,与的拟合示意图(h=20cm,u.=49.Ocm/s)Fi

14、g.5Relationshipbetweenu/u,andy/h(h=20cm,=49.Ocm/s)段纲化。由于环形水槽中摩阻流速和断面平均流速均较难直接求得，而每一组流场均是由环形槽、剪力环反转所得，即对于一个具体的流场，环形槽、剪力环的转速决定了流场内各点的流速，因此选取剪力环中线速度U,对流速进行无量纲化，具有一定代表性和物理意义且测量简单。测点高度则利用水深h进行无量纲化。通过量纲分析表明u/u,与y/h之间的相关拟合曲线具有很好的相似性。由于各水深，各转速下拟合趋势大致相同，故以20cm水深环形槽转速u为49.Ocm/s为例作u/u,与的拟合示意图。则环形水槽中线处任一点垂线流速与其

15、距离底部高度的无量纲函数关系一般可以表示为(1)(1)j=a（p+b（*）2+c（千）+d式中a、b、c、d为待定常数；“为垂线上任一点的流速；虬为乾力环中线速度；，为任一点距底部的距离；h为水深。环形槽、剪力环在不同转速下，流场中心区域中线处垂线流速分布具有相同的特性,20cm水深下曲线拟合的相关系数在0.94以上,30cm水深下曲线拟合的相关系数在0.82以上，可见三次函数曲线可以较好地反映环形水槽流场中心区域流速的分布特征。其中待定常数Q0、c、d的取值与水深、环形槽转速、剪力环转速等有关。采用三次函数拟合环形水槽流场中心区域的中垂线流速分布，与以往描述天然明渠垂线流速分布所广泛使用的对

16、数流速分布、指数流速分布、二次函数拟合等有较大差别，这是由于天然明渠或直水槽的水面是与空气接触的自由表面，而在双向环形水槽中，水流与财力环密切接触，即双向环形水槽为使水流流动，构造流场并消除横向流影响就要求剪力环有较大转速（约是环形槽转速的3-4倍），故剪力环附近出现流速及流速梯度较大的现象，并影响到整个流场，使得垂向流速曲线呈S型分布，无法用上述几种流速分布描述。图6环形水槽''8"字形双环流Fig.6Twinsecondarycirculationcellsintherotatingannularflume与天然河流上大底小的流速分布相比，环形水槽的流速分布在中部

17、偏下位置存在流速偏大的现象（即存在凸线）。这是由于水槽的宽深比较小，边壁影响范围较大，断面上存在二次流（率定环形槽、剪力环转速比仅能大大削弱二次流而不可能完全消除），即使距离边壁最远的中线处也是三维流动。通过率定得出环形槽、剪力环最佳转速比后，可使环形槽与剪力环产生的方向相反的纵向螺线形环流最大程度的抵消，即槽内环流减至最小，上下水体内形成“8”字形双环流（图6）。顶部液体沿外壁向下流动，再与底部沿外壁向上流动的液体汇合流向内壁，由于剪力环转速很大使得顶部液体的动虽很大，故将动髭较大的液体带至断面中部，使得中部附近流速增大，出现下拐点附近的凸线。在天然明渠水流中，由于边壁的影响，断面上将产生副

18、流，导致断面上流体产生横向交换，也会出现垂线最大流速位置下降的现象。由以上分析可知，流速仅在边界处有较大的梯度，而在距离环形槽、剪力环表面较远的流场中心区域，流速分布较均匀，可用三次函数描述，而在实际应用中，对分层流速的精度要求不高时可以忽略其梯度，将流速近似看成常数。究其原因，认为槽内水流完全靠水的黏滞力而被剪力环、环形槽带动而运动，水的黏滞系数较小，故在边界处才出现较大的速度变化梯度，到水流内部，素动达到均匀，流速基本一致。3.3同一洌点流速的变化趋势由于在同一水深下，改变环形槽、剪力环转速时各测点处流速变化的趋势一致，故以20cm水深8号测点（距底部9.8cm）为例作出流速与环形槽转动周

19、期的关系图。由图7可知，流速与环形槽周期的04080120160环形槽周期人关系曲线为下凹曲线，同一测点的流速随着环形槽、剪力环转动周期的增大而呈减小趋势。选取乾力环中线速度虬对流速进行无量纲化后，在误差允许范围内，其相对流速保持不变，则实际应用中，若要求模拟出一已知平均流速的流场，可根据该相对流速确定出剪力环和环形槽的转速，构造出预期的流场。3.4不同水深下同一测点的速度变化当环形槽转速相同，同一测点在20cm和30cm水深下，图7测点流速与环形槽转动周期关系除个别流速（可能是测最误差）外，同一测点在30cm水深时（入=20cm,y=9.8cm）的流速大于20cm水深时的流速。为探究更普遍的

20、规律，在叫.7Relationshipbetweenpointvelocity10cm水深和40cm水深下以2号测点（距底部5.5cm）和5号androtating时陌oflheannularflumechanne，测点（距底部7.5cm）为例测量出不同转速下其流速值，并分=20cin，Y=9.8cm）析不同水深下流速的变化规律。由于水深变化，在环形槽转速相同时，根据示踪沙轨迹重新率定出剪力环转速，其值随水深增大而增大。以图8（5号测点在环形槽转速58.8cm/s时）为例可知，除10cm水深流速较大外，测点流速值均随水深增大而增大。究其原因，相同环形槽转速下，水深越大，为消除横向流所需的剪力环

21、转速越大，即动力条件增大，则流场中流速普遍增大。10cm水深时由于测点距离剪力环较近，剪力环的剪切作用影响范围较大，因此流速普遍较大，则进一步说明为减小上下边界对流速分布的影响，选择距环形槽、剪力环较远的中部流速进行规律分析是十分必要的。3.5流速沿槽宽分布为研究环形水槽内水流流速沿槽宽分布，分别测量出流速仪的旋浆距离槽外壁3cm、6cm、10cm、13cm、16cm处的时均流速值。以20cm水深下2号测点（距底部5.5cm）在环形槽转速为58.8cm/s时作示例。由图9可知，同一高度处流速自内壁至外壁呈线性增加，即流速与旋转半径A成线性关系，且直线拟合的相关系数在0.96以上。康苏海等认为环

22、形水槽应保证每个断面流速分布一致，而内侧与外侧具有相同的角速度，这样外侧流速要比内侧流速大，且成正比关系V=AR,其中k为水流的旋转角速度。本文的试验结果与其理论相符。正是因为环形水槽沿槽宽有如此的流速分布，才使得各断面在运动过程中始终保持在一个平面，每个断面流速分布一致，来模拟无限长直水槽。根据流速沿径向呈外侧大，内侧小的线性分布，结合中线处流速的垂向分布，也大致可以了解断面其他垂线的流速垂向分布。80r100r40(s、s)、«*40(s、s)、«*6001020304050水深/cn图8不同水深下测点流速变化(y=7.5cm,=58.8cm/s)Fig.8Pointv

23、elocityatdifferentdepths(y=7.5cm,ut=58.8cm/s)4结论6001020304050水深/cn图8不同水深下测点流速变化(y=7.5cm,=58.8cm/s)Fig.8Pointvelocityatdifferentdepths(y=7.5cm,ut=58.8cm/s)4结论°5101520至外槽壁距.高/cm图9相同高度流速沿径向分布曲线(y=5.5cm,ut=58.8cm/s)Fig.9Radialdistributionofvelocityatthesameheight(y=5.5cm,uk=58.8cm/s)环形水槽的流速分布规律是其他运

24、动规律研究的基础，可为其中进行的泥沙试验的现象解释提供理论基础。试验通过改变水深以及环形槽和剪力环的转速，分层测虽出多个流场中的流速数据，得出结论如下：(1) 试验采用环形槽、剪力环以一定的转速比同时反向旋转，极大程度地削弱了横向流的影响。率定结果显示，随着环形槽、剪力环转速增大，剪力环与环形槽的转速比整体上呈减小趋势，且环形槽、剪力环的转动周期呈线性相关。(2) 环形水槽中线处垂线流速分布呈S型，可利用三次函数曲线拟合出流场中心区域的垂线流速分布。流速仅在边界处有较大的梯度，而在距离环形槽、剪力环表面较远的流场中心区域分布均匀。通常在实际应用中，对分层流速的精度要求不高时，流场中心区域的流速

25、近似可以看成常数。(3) 同一水深下，同一测点的流速随着环形槽、剪力环转动周期的增大而呈减小趋势。不同水深、同一测点在相同环形槽转速下，在距离剪力环一定范围外，流速随水深的增大而增大。流速沿槽宽呈线性分布，由外壁向内壁递减，使得各断面流速分布相同，可以模拟无限长直水槽。参考文献：(1刘春晶，王兴奎，曹文洪，等.明渠均匀流流速分布的指数、对数公式对比A.中国水利学会第二届青年科技论坛论文集(C.郑州：黄河水利出版社，2005:276-281.2蒋睢耀，冯学英.环形水槽在泥沙研究中的应用J.水道港口，1990(1):27-35.(3YangZhaoqing,BaptistaAnt6nio,Darl

26、andJeffrey.NumericalmodelingofflowcharacteristicsinarotatingannularflumeJ.DynamicsofAtmospheresandOceans,2000,31(1-4)：271-294.4康苏海，冯学英.环形水槽二维数值模拟J.水道港口，1998(4)：40-45.5冯学英.环形水槽机理与应用研究J.水道港口，1998(3)：7-】1.6孙东坡，王二平，董志慧，等.矩形断面明渠流速分布的研究及应用J.水动力学研究与进展，2004,19(2):144-151.7惠遇甲，胡春宏.矩形明槽宽深比和边壁槌率对于流速分布和阻力影响的实蟾研

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