明渠渠底糙率突变对紊流摩阻流速及壁面切应力影响的试验分析.docx

1、水利水电技术第38卷2007年第1期明渠渠底糙率突变对麦流摩阻流速及壁面切应力影响的试验分析张红光，路明，范志高，尹红霞(河北工程大学水电学院，河北邯郸056021)【摘要】通过激光测速仪，对壁面糙率突变时的明渠养流进行试验，测量了糙率突变不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速和脉动流速。通过实测资料分析不同糙率突变和不同水深的紊流摩阻流速变化情况和水流的壁面切应力的特点。【关键词】糙率；紊流；摩阻流速；壁面切应力中图分类号：TV133文献标识码：A文章编号：1000-0860(2007)01-0089-04Experimentalanalysisoninfluencefromsuddencha

2、ngeofroughnessofopenchannelbottomonfrictionvelocityofturbulentflowandwallshearstressZHANGHong-guang,LUMing,FANZhi-gao,YINHong-xia(CollegeofWaterandElectricity,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,Hebei,China)Abstract:Theturbulentflowinopenchannelistestedwithlaser-Doppleranemometer,inwhichthelon

3、gitudinaltimeaveragevelocityandfluctuatingvelocityofturbulentflowinopenchannelundertheconditionsofthesuddenchangesofroughnessesaldifferentwaterdepthsaremeasured.Basedonthemeasureddata,thechangeofthefrictionvelocityofturbulentflowandthechar-acterislicsofthewallshearstressunderdifferentsuddenroughness

4、esanddifferentwalerdcplhsarcanalyzedherein.Keywords:roughness；turbulentflow；frictionvelocity；wallshearstress现今对明渠水流的研究取得了许多成果，但由于其复杂性，对明渠水流壁面的粗糙程度、断面形状、底坡、宽深比及上下游水力条件等因素的变化和不同组合对流速分布、紊动特性以及水流阻力特性的影响等问题，都没有成熟的理论和认识。对紊流的研究，有很多问题需要解决，特别是糙率突变的明渠紊流。从国内外研究资料看，对明渠渠底糙率突变和糙率区域变化的研究还不成熟，有待于进一步深入探讨和研究。由此，在工程应用

5、中，有必要对壁面粗糙度突变后明渠流动特性进行研究。本文采用激光测速仪测量了糙率突增和糙率突减两种情况下，三种不同水深的紊流时均纵向流速分布和纵向脉动流速分布。分析不同糙率突变和不同水深的紊流，突变点后水流的摩阻流速变化情况及水流的壁面切应力的变化特点。1试驶装置及测量系统1.1试验装置试验水槽：矩形的有机玻璃水槽，K12m、宽0.4m、高0.7m,底部坡度为0.1%,为稳定进口流量和平顺水槽进口流态，水槽头部与矩形堰底部出水处用45。倾斜光滑板连接。粗糙板制作：水槽中铺设光滑的塑料板，对壁面人工加糙。试验采用3种不同的壁面，分别为光滑壁面，小粗糙壁面和大粗糙壁面。对于均匀粗糙颗粒紧密地布满壁面

6、的情形，颗粒直径可以作为九。小粗糙壁面用0.150.25mm粒径的筛子筛选大致均收稿日期：2006-10-11IVaterResoumsandHydrops”EngineeringVol.38No.189基金项目：河北省科技领车人才创新资金项目资助(06547001D-4)。作者简介：张红光(1969-),男，讲师。张红光，等明渠耍底植率突变对亲流摩阻流速及壁面切应力影响的试验分析匀的砂粒紧密的粘在橡胶板上。实际测*制成的粗糙板，粗糙板底部到砂粒顶部的距离测量为0.21cm,即认为&为0.21。大粗糙壁面用510mm粒径的筛子来筛选砂粒，测量4高度为0.62cmo供水系统：采用恒压水箱

7、循环供水，实验时采用同一流量，尾门调节水位，测针测量水位。进口段稳定区和水槽尾部均安装测针，确保实验是均匀流。1.2测量系统激光测速仪(leaserDopplerVelocimetry,LDV),是利用激光多普勒效应来测足流体运动速度的一种仪器。当激光照射到跟随流体一起运动的固体微粒时，激光被微粒所散射，通过测得散射光的频率和入射光的频率之差，测得的微粒的运动速度，可知微粒所代表的流体运动的速度。本文采用清华大学研制的SCD-22型二维频移激光测速仪测定水槽水流流速。该测速仪具有非接触测量、线性特性、较高的空间分辨率和快速动态响应等优点，其综合指标测速范围为：-515m/s；测速精度优于！。主

8、要由以下几部分组成：HE-NE激光器，入射光单元，接收光单元，频移单元，前置放大滤波器，多普勒信号处理器及计算机系统和光学导轨及坐标架系统。实验时只采用两束光，测屋一维流速，即纵向时均流速和纵向脉动流速。2试验结果及分析2.1试验设计糙率突增的试验，糙率组合分别为光滑到水力过渡壁面、光滑到水力粗糙壁面和水力过渡到水力粗糙壁面；糙率突减情况则为水力粗糙壁面到水力过渡壁面。每组糙率突变的试验采用三种水深，分别为7.09cm、8.45cm和9.8cm。通过实测资料主要分析糙率突然改变以后时均流速分布、紊流结构、摩阻流速及壁面切应力变化情况。紊流糙率突变的试验，底板糙率改变从4.1m开始，以保证突变前

9、水流已发展成为充分发展的紊流。糙率突增的实验断面选取在糙率突变前10cm、突变点处、突变点后5cm、15cm、30cm、60cm、100cm、150cm、220cm和350cm处；水力粗糙壁面到水力过渡壁面突变的试验断面选择在突变点前70cm,突变点后10cm、20cm、30cm、40cm、55cm、70cm、85cm、100cm和300cm处。各断面测点从底部1mm处开始测量，最底部每隔0.2mm测一次，往上隔0.5mm、1mm,到外区则每隔5mm测量一次。每个测点同时测量3次，实验结果取3次的均值。2.2壁面糙率突增的明渠紊流摩阻流速2.2.1同一槽底板不同水深的摩阻流速沿程变化特性选用y

10、/YO.2以内流场的流速测点，利用实测的流速分布，给定卡门常数值，根据公式=TXw.kInj+B反算摩阻流速。由试验测定的数据经整理后，绘出图1、图2和图3分别示出三种槽底板的三个水深的摩阻流速的沿程变化情况。O7.09cm水深1.6.°8.45cm水深O9.8cm水深1.4弓。O1.2ooo.oO1.0a0.8aaaa-1000100200300400流程x/min图1光滑到小粗糙糙率突增不同水深廉阻流速分布0100200300400流程x/mmO7.09cm水深°8.45cm水深9.8cin水深图2光滑到大粗糙糙率突增不同水深摩阻流速分布图中流程坐标丸的零点为糙率突变点

11、，第一个点为糙率突变前10cm处，即x=-10cm0摩阻流速变化用u.2/u.,表示。代表糙率突变以前均匀流的摩阻流速，皿2是糙率突变以后各断面的摩阻流速。光滑一水力过渡壁面，光滑一水力粗糙和水力过渡一水力粗糙三种糙率突增情况下，相应的摩阻流速先是突增，过峰值之后急剧减小，减小趋势逐渐变缓，最后趋于一定值。由此可见，当糙率突增时，水张红光，等明渠渠底精率突变对紊流摩阻流速及壁面切应力影响的试验分析。7.09cm水深°8.45cm水深9.8cm水深。光泪到小和福光滑到小Hl槌到Afiltt0.81«'1'>-)001020304050流程x/h图5大水深

12、不同槽底板糙率突变的摩阻流速变化图3小粗糙到大粗糙糙率突变不同水深摩阻流速分布o光滑到XHItt小粗到0.8111111-1001020304050流程X/mm图6水力粗糙一水力过渡突变摩阻流速沿程变化流由一种均匀流突然向另一种均匀流过渡，摩阻流速由急剧增加到减小是水流由一种均匀流变为另一种均匀流的过渡段，当摩阻流速趋于一定值时，流动已变为另一种均匀流。水深不同，摩阻流速大小不同，但摩阻流速的变化趋势相同。摩阻流速随着水深的增大而减小。2.2.2相同水深不同槽底板的摩阻流速分布为分析糙率增加程度不同对摩阻流速的影响，图4、图5分别示出水深相同的情况下不同槽底板的摩阻流速沿程变化情况。光滑到小和

13、耘图4小水深不同槽底板糙率突变的摩阻流速变化小水深和大水深情况中，槽底板糙率增加程度不同时，摩阻流速发生变化的区域和趋势基本上是一致的，一般在为10倍水深以内摩阻流速变化大；随着槽底板糙率增加程度的不同，相应的摩阻流速变化程度也不同，光滑一水力粗糙的情况糙率增加最大,相应的摩阻流速的变化也大；光滑一水力过渡壁面的情况下摩阻流速的变化最小，与水力过渡一水力粗糙壁面的摩阻流速变化情况较接近。2.3壁面糙率突减的明渠紊流摩阻流速从图6可以看出，糙率突减的情况下，摩阻流速先急剧降低，在突变点处摩阻流速最小，然后逐渐增加，到100cm以后摩阻流速变化减小。这是由于糙率突然减少时，壁面切应力急剧减小的缘故

14、。图7为水力粗糙一水力过渡壁面与水力过渡一水力粗糙壁面摩阻流速对比图。突变点以后，糙率突增与糙率突减情况下摩阻流速朝着相反的方向变化。糙率突增时，摩阻流速急剧增加，然后增势减缓，最后趋近常数。糙率突减则正好相反，摩阻流速在突变点处急剧减小然后再增加最后趋于常数。1.71.51.3oo到小机S&o小ooo11oA0.9-*0.7AS-1-15-5515253545,流程x/h图7糙率突增与糙率突减摩阻流速对比2.4壁面切应力根据70=P-U；可知，壁面切应力随着摩阻流速的变化而相应的发生变化。壁面切应力在水力光滑壁面最小，壁面粗糙度越大，切应力相应地也越大。糙率突增时，壁面切应力在糙率突

15、变点附近急剧增大,并大于壁面上完全发展紊流壁面切应力，然后顺流减小，直至达到水力过渡壁面上的壁面切应力。槌率突减的情况则正相反，壁面切应力从大变为最小，然后又逐渐增加趋近于完全发展紊流的壁面切应力。同时，糙率突变程度越大的情况，壁面切应力的变化也越剧烈，特别是在突变点处。3结论对糙率突变的明集紊流试验结果进行分析，得到如下几点结论。糙率变化是影响摩阻流速最主要的因素，糙率改变幅度越大，摩阻流速变化也相应地最大。糙率突变后，在靠近突变点处摩阻流速变化剧烈，随着水流往下游流动，糙率变化逐渐缓和。对各种糙率组合不同水深情况下，各断面的摩阻流速的变化区域是一致的。糙率突增情况下，摩阻流速在突变点处突增

16、，过峰值后急剧减小，随后减小趋势变缓，趋于一个定值。糙率突减的情况则相反，摩阻流速先急剧降低，在突变点处摩阻流速最小，然后逐渐增加，到充分发展的紊流处，摩阻流速不再变化。水深对摩阻流速的也有影响，相同糙率组合时,水深越小，摩阻流速越大，水深越大摩阻流速反而越小。壁面切应力变化随着摩阻流速的变化而变化，其变化情况同摩阻流速变化相一致。参考文献：1 肖洋.光滑壁面明梁紊流边界H拟序结构实验研究D.南京：河海大学.2002.2 刘春血.李丹勤.王兴全.明渠均匀紊流的摩阻流速及流速分布JL水利学报，2005.36(8):950-955.3 沈熊激光多普勒测速技术及应用M.北京：清华大学出版社.2004

17、.4OslerlundJM,JohanssonAV.NagibHM,elal.Anoteontheo-verlapregionintuibulentboundarylascraJ.Phys.Fluids.2000,12(1)：1-4.(责任编辑欧阳越)(上接第88页)速峰值影响显著。闸门关闭速度越快，通气孔风速峰值越大。表5不同工况事故倒门关闭过程各测点最小压力值及最大脉动值统计kPa工况最小时均最大脉动最大均弧门开度/%水位/m压力值压力值方根值570.00-7.7102.129.6100600.00607.94-20.3-239.494.1570.00-20.1-129.64575600.

18、00-22.4-182.1117.1607.94-31.5-232.968.8570.00-16.8171.839.850600.00-2).6204.446.6607.94-22.3-205.261.6570.00-5.2-127.726.425600.00-56.3182.061607.94-53.2-21950(2)摩擦力是持住力测量计算中的主要因数，摩擦系数主要取决于支撑情况和滑道材料。事故闸门在相同工况动水关闭过程中，持住力随摩擦系数的增加而减小；在相同摩擦系数时，持住力随上游水位的升高而增大。本文对摩擦力采用敏感性分析，选取0.05,0.085,0.12三组摩擦系数(闸门采用钢塑滑道，摩擦系数变化范围为0.050.12)分别计算持住力。当摩擦系数取0.05时持住力最大，其值为11388kN；当摩擦系数取0.12时，持住力最小，其值为146kN。事故闸门启闭机的设计容量为14000kN,启闭机设计容量满足动水下门要求。(3)从门槽段压力特性来看，不同工况下，事故闸门关闭过程中，各测压点中最小压力值及最大脉动压力值大多出现在紧贴门槽后侧边墙底部测点，是易发生水流空化空蚀的地方，这与不