复式河槽中的流速和流量.docx

1、1991年8月河口与海岸工程EstuarineandCoastalEngineering复式河槽中的流速和流量W.R.C.Myero引言-定水深条件下，正确地估计河道的泄流能力，对于天然和人工河道的特性分析和设计都是必须具备的.自从谢才提出了他的若名公式以来，这个公式已得到了不断改善，单一河槽中的激食预测精度已有很大提高.近年来，本领域的发展包括对管流阻力的了解在明渠流中的应用(Mg,1982).在模拟包括主植和一个或二个潍地的复式断面的泄流能力时，己经证实传统的均匀流方程是不合适的-如果将31式河槽看成一个独立的整体，泄流能力将会估计不足，而如果采用将河槽分成主植和滩地的更为常用的方法，则估

2、算的流量将会比实际流量偏大.准确地预测这类复式河I的泄淹能力，对于减轻危害并防止生命财产损失都具有很大意义.一、背景复式河槽的虞杂性在于主槽与潍地之间存在着动蠹传递机能.包括Zhele2nyakov(1971)和ScUin(l964)在内的早期研究都表明,这一机理在潍槽交界处形成了具有垂直轴的岸壁涡流，这导致了主槽流速降低，滩地流速增大没有考虑动童的交换，不但不能正确模拟全断面泄流能力，而且也不能正确估计主AT和滩地的流:*比例.近来许多研究的目的都在于探求动蠹传递的机理及其作用，并使其定量化.Myers(1978)»Kiught和Demctrioi)(1983),Wormleati

3、on等(1982),Baird和Ervinc(1984),都用潍槽交界面处的表面切应力来表示这一机理，表面切应力要比河槽周界上的边界切应力大若干倍,将大范围的几何尺寸和各种边界槌率综合考虑，并给出了表面切应力和边界切应力的经脸关系式.Knight等(1983,1984)、Wormleation等(1964)、Prions和Townscnd(1984)及NoutBopoulos和HadjipaiK»O983)对估计流量的常加方法作了严格的估算，并提出了改进意见Mycrs(1984),James和Brown(1977),Pnnos和TowDsend(1985)及Pasche和Rouve&

4、lt;1985)提出了既适用于光滑边界,又适用于粗边界的廉擦系数关系.Wonnleation和HadjipaDC>H1985）对一个适用性良好的方法作了恰当的评论，这一方法不但可以正确模拟复式断面的寂流米,而且也能正确模拟主槽和摊地的流蠹分量.本研究的目的就在于理解夏式河中流速和流蠹的分布.二、理论探讨图1为具有光滑边界的对称夏式河槽.考虑主槽部分，水流阻力形成了边界切应力，动量向傩地输送.迄今,对于这种情况还没有一个阻力系致的理论公式.然而，应用蚤纲分析可获得的这个关系的适当形式.图1.雷诺致比值与相对水深的变化假设在均匀流条件下,复式河槽的光滑主僧中的水流阻力可以表示成：乎【F/必七

5、,=0这里,F:动蠹输移引起的边界和表面应力,V。程主槽和滩地的平均流速"、流体的密度和绝对粘度,j互:主僧和滩地的水力半径,乎:各变量的函数.因为是均匀流，在水流方向上的重力分量与应力方向相反，大小相等，因而，这里并不需要包括重力加速度.应用遂:纲分析如Buckinghan的n理论,方程1可改写成：方"技舟将壬看成是主情的阻力系数,并合并最后两项,得：c。=机虬他/知这里，Rc、Rf分别为主槽和潍地的雷诺数.对潍地和全断面也作类似的分析，表明其阻力系数是相应«»»和雷诺数比值的函数.Myer»（l983）提供的资料证实了方程3的适用

6、性.显然，雷诺数比值R：是影响水流阻力的一个重要参数，从而影响到光滑复式河槽的泄液能力.从下面的试验报告中可以得知，震诺数比值与河道坡降无关，仅与河道几何尺寸有关（图1）.对于尺寸一定的河道，我们可写成：R,=。夺=他,这里，R,=Rc/Rhyc刘:分别为滩地和主H水深,力：相对水深.故有：(5)VrR,铲.=乎3根据类例的推论，也可以证明下列的泼速比值仪与河道尺寸有关，而与底城无关：电彳97=机，】（刀这里,V:全断面平均淡速,V：各垂线的垂线平均沌速.同样，以下流置比值也仅是几何尺寸的函败：QQQ,QfQtXQeQr分别为滩地和主*»*,Qt：全断面总液量.这就表明了,所定义的各

7、种流速和aat比值仅是河道尺寸的函数.这些结论将由试验资料得到证实，井加以定置化.三、试验整理试验是在一长为9m（295qR）的重复循环有机玻璃水AT中进行.测验三个对称的复式横断面.80mm（35时）喜处的半河竟b是固定的，其它有关尺寸见图1.每一断面都进行了50组以上试验,底坡为0.000220.00288,水深和液重的蔻围都较大.低水时用体积法测流重，高水时用文丘里液量计测置.针形水位计可将水深读至0.1mm（0.004时）左右,水面坡度与床面平行，也就是说由出口堰来调节.在水槽方向上水深变化不超过0.2mni（0.008时）,可认为是均匀流.在各断面上鄱测置流速分布，以保得到充分发展的

8、水渣.为了确定主槽和潍地的分温量，在横断面18条垂线上重测淹速,从而确定垂线平均流速.采用流速一面积法求出横断面上各个区域的液重,然后求其总和就可得到整个复式断面的流重，井与实测液量对比.液速一面积法的泼置和实测流董之间的误差始终小于±10%,80%是在±5%以内.1. 潭建分布图2为一个横断面在不同水深时，垂线平均液速（v/V）的横向分布.正如理论上指出的.这种分布与底坡无关.在水深小时，主槽流速大，而潍地流速小，其间的差异明显，显然这是引起动量从主槽向潍地输移的条件.当水深加大，滩槽交界面两侧的流速几乎相等，表明动址交换明显做弱.在最大水深时，条件刚好相反,滩地流速较大

9、，包括最大流速点，动最持续从滩地向主槽输移.图2.各水深下的横向流速分布(CS1)浸滩水深和潍地宽度对流速横向分布的影暗见图3.由于高强度的动量交换(是漫潍水深的函数)，较大的漫滩水深导致了较大的潍地流速，较窄的潍地宽度造成了动量交换的减弱,这就是潍地流速较小的原因.所有三个断面上的主槽清:速都相近.图4为断面2在不同底坡下，主槽和潍地平均流速与断面流速之比值(Ve/V,Vf/V).在较大水深时,潍地平均流速超过了主槽部分，证实了动量输移是从潍地向主槽的.图3.各种几何条件的横向流速分布图4.不同水深的Vc/V和Vf/V(CS2)Kuight和Demetri0D(1983)tf一漫潍水深为75

10、mm(2.95时)的光滑复式河槽中做试验,这一水深和本研究所用的水深(80mm=3.5时定为接近.他们获得下列主槽流速与断面流速比值(Vc/V)的方程式：亍nL0+1.08(a-l)y,+1弓液仁白儿)，r”，其中：a=B/b.图4表明，在相对水深的很大范围内，方程9与本研究的结论是一致的.在水深较大时,Knight和Demetriou并没有观察到本研究中所观察到的流速穿越(crossver),尽管他观察到了主相关系中的最大点,但这在本试验中并没有再现.图5为各断面上Vc/V和Vf/V,为了清楚起见U去了各个点于.断面1与断面2极为相似，而断面3在相对水深很小时就出现了流速穿越.浸潍水深明显地

11、影响到这些关系.图5中应用Knight和Demetnion的方程9对断面1进行了计算,表明在相对水深的中间部分图5.各断面Ve/V和V/V随水深的变化还还不能阐明相对水深在Q.5以上部分曲线的机理.然而，这已表明在曲线互相芽越化后，随着水深的进一步增加，曲线再一次趋于接近,因为在水深很大时，两比值趋于一致主槽与滩地流速的比值见图6.同样，这些数据与底坡无关，在对数纸上点绘时，点群成直线.科用相关分析来推导方程的一般形式：匕(10)表】给出了三个断面上获得的a和A值.同时也给出了复相关系数，对于完全拟合的直线,其夏相关系数值为土1.指数和系数(1)断面号JIA心夏相关系数的平均值(5)1I2(3

12、)3(4)a-4).612-0.638-0.7240.9MA0.5600.5820.388c-0.770-0.554-0.5810.993c0.1990.3210.2381dD0.83712741.0931.2391.1492.31210.990g-1.589-1.618-1.7210.94G0.1600.2690.104时IC"，“it10图6.各断面/%随水深的变化2. 液量分布对于任何一个合适的模型，不但需要正确地描述全断面上的流量，而且也旻正确地描述主情和潍地的流量.、图7为断面】的主情和滩地流量的比例Q/Qt、Qf/Qt.图8给出了所有三个断航为了清楚起见,整去了个别点子.

13、这些数据可用一般形式的方程来表示:表1,也列出了从每个断面荻得的指数值和系数.图7.主槽和滩地流量比例随水深的变化(CS1)Knight利Demetrion(1983)用下列关系式表示复式河槽中主槽流急的比例：(B)弩=砂斜+655图7给出了新面1上的这个关系，而图8则是断面2的相应曲箕.本研究结果与Knight和Dcmetrion的结果极为接近.但并不能将这些教据与断面3相比较，因为后者的漫滩水深比Knight和Demetrion的约大50%图9为流量敷据的不同表示方法，即为三个断面上主槽流量与滩地流量比值(Qc/QD与相对水深间的关系.这些点据成直线关系：(14)g,G值见表1.图8.各断

14、面主槽与滩地流景比例随水深的变化图9.Qc/Qt随水深的变化3.与滩槽互不影响的流置相比较实际感兴建的是，复式河道中主槽与滩地的流盘与潍槽相互独立的因而是互不影响的流量之比较复式河道的常蔬分析方法是将滩槽分别处理，每部分流量的总和，就得科整个断面泄流能力(Chow,1959),应用由Mym(1982)得到的庠擦系数关系，来计算互不毋响的流量,图10为这些数据的典型形式.由于表面应力在相对水深为0.2附近出现峰值，主槽部分和全断面的曲线都在这一点的稽上出现最小值，因为这是表面应力和潍槽交界面面积的产物(Myers,1978).显然，"河道分割"法并不能模拟水深小时滩槽的流量比

15、例.此外，它将全断面的泄流能力过高地估计了】0%,因而过低地估计了流量一定时的洪水位.10%这个值是过高估计的下限，因为这一数值随着滩地宽度和痕率而增大,这里的模拟研究都比天然河道要低许多.在相对水深为0.4处，滩地关系出现了峰值，用传统方法将滩地泄流能力低估了约26%.如图4、5所示，在这个水深值，动量输移方向是相反的，也就是滩地向主槽输移动*.这就说明了在较大水深时滩地比例降低的原因.图10.互有影响的演量与互不影响虹的比值随水深的典型变化(CS2,MR=0.00052)水深大时,复式河道泄流能力要比应用河道分割法所预测的值约大10%.表面切应力与边界切应力相似的比值相应地减小，故主槽部分可以得到准确地模拟.然而，主槽与滩地交界面上的切应力始终有助于滩地水流，在互不够值以上加大了滩地流量.所以，整个复式横断面与假设滩槽互不影晌的主槽和滩地相比，起到了更为有效的水力效果.四、结论1. 理论探讨认为,光滑复式河槽中的流速和流置之比值与河床底坡无关，仅受水深和几何尺寸的影响.2. 从三个光滑复式河道断面所获