明渠渠底糙率突减对紊流流速及紊动强度影响的试验分析.docx

1、2007年2月第26卷第1期JournalofIrrigationandDrainage八寸刀e文章Ml号:1000-646X(2007)01-0069-04明渠渠底糙率突减对紊流流速及紊动强度影响的试验分析张红光，范志高，尹红霞，王方勇(河北工程大学水电学院，河北邯郸056021)摘S：利用激光剥速仅，对壁面槌率夹戒时的明渠紊流进行试脸，测量了缝率交凌不同水深精况下明渠亲流的纵向时均流速和脉动流速.分析粗糙度突戒对明渠未浪的影响.得到壁面槌率减小后明渠紊流的时均流速分布特点以及紊动强度的发展变化.关词：槌率；亲沆；时均流速；未动强度中图分类号：TV133.1文献标识码：A由于紊流研究本身的复

2、杂性，还有很多问题需要解决，特别是糙率突变的明渠紊流。国内近年来对糙率突变的紊流边界层问题研究，相对较少。刘士和、余顺超对水流中类似问题进行了实验研究、理论分析和数值模拟。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，其研究的成果还不成熟，还有待于进一步深入探讨和研究。紊流糙率变化的试验，是研究紊流十分重要的方法。通过明渠渠底紊流糙率变化试验，来测定紊流糙率系数，研究明渠素流现象和运动趋势，可以为工程设计提供设计参数，为工程建设提供参考等。由此可见，在现实工程应用中，有必要对壁面粗糙度突变后明渠流动特性进行研究。1试验装置及测量系统水槽实验是明渠水流特性的基本手段，采用激光测速仪

3、测量矩形水槽中水力过渡壁面紊流和水力粗糙壁面素流在3种不同水深中的纵向时均流速和纵向脉动流速。主要测定糙率突增和糙率突减二大类糙率突变情况，主要介绍糙率突减的情况。糙率突减情况为水力粗糙壁面一水力过渡壁面突变，分析其流速分布的变化情况及紊动强度的变化特点。实验水槽：矩形的有机玻璃水槽，长12m、宽0.4m、高0.7m,底部坡度为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：水槽中铺设有光滑的塑料板，对壁面做人工加糙。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。光滑壁面直接在光滑板进行实验，小粗糙壁面用0.1

4、50.25mm粒径的筛子来筛选大致均匀的沙粒，用胶均匀紧密的粘在橡胶板上。对于均匀粗糙颗粒紧密地布满壁面的情形，则颗粒直径可以作为包。对制成粗糙板进行实际测量时，粗糙板底部到沙粒顶部得距离测量得到0.21cm,即认为k,为0.21。大粗糙壁面时，采用510mm粒径的筛子来筛选沙粒，最后测量k,高度为0.62cm。供水系统:采用恒压水箱循环供水，实验时采用同一个流量，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一测针，测针测量精度可达到0.1mm,实验确保是均匀流。采用的3个水深分别为7.09,8.45和9.8cm.测量仪器采用清华大学研制得SCD-22型二维频移激光测速仪测定水槽水流

5、流速。该测速仪具有非收质日期：2006-10-23基金项目：河北省科技领军人才创新资金项目资助(06547001D-4)作者简介：张红光(1969-),男，河北邯郸人，讲师，从事水利工程结构教学与研究.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：一5m/s15m/s；浏速精度优于1%。其主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座标架系统。用二维激光测速仪测论底部流速分布时，水平方向和垂直方向的三束光汇成交点受限，因此激光器用二维的测量不到最低部的流速分布。试验中曾将激光

6、器发射体单元和入射光单元向下微倾，相应的接受光单元也微倾，但是效果不是很好，因此实验时只采用二束光，测量一维流速，即纵向时均流速和纵向脉动流速。2试验结果及分析试验底板糙率改变从4.1m开始，这样就保证突变前水流已发展成为充分发展的紊流。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10、20、30、40、55、70、85、100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1次，往上隔0.5,1mm,外区则每隔5mm测量1次。每个测点同时测量3次，实验结果取3次的均值。以7.09cm水深水力粗糙到水力过渡突变情况为例，从图1可以看出，糙率突

7、减情况下的流速分布，可以分为内区和外区，内区分粘性底层和对数区，图1中u+=u/u*。+=如，其余符号意义见式（1）中的解释。粘性底层流速分布符合线性分布，对数区可用对数律表示，外区用尾流函数II来修正。T;ra50502211u*-2.51n(y>7.31o'0.1110100y/c«b)俺率突减后10cm流速分布S.51n(y4H9.60110/CBc）福率突减后405流速分布100I10/«d）限率突减后100o流速分布100明渠均匀紊流对数区流速分布符合对数律公式：图2槌率夹成后内区彼速分布图图1桂率突戒城向时均流速沿程分布图(1)-=-|-ln产+B

8、u*kk,式中：“为时均匀流速（cm/s）；u*为摩阻流速（cm/s）德为卡门常数值，取&=0.4；、=乂+加力为测点距离粗糙颗粒顶部的距离（cm）；y。为理论顶点在粗糙颗粒顶点以下的距离（cm）；A,为粗糙高度（cm）；B为积分常数。从图2可以看出，糙率突减以后，靠近突变点处，粘性底层流速较远离突变点处的流速大，70但在对数区，靠近突变点处的流速增长比远离突变点处的要缓慢。对数区流速分布的拟合公式中积分常数B的值也发生相应的变化，先变大而后变小最后趋于常数。外区流速分布同糙率增大的情况完全不同，接近突变点处，外区流速往上偏离对数区的程度比充分发展的紊流偏离的还要大。远离突变点后偏离的

9、程度逐渐减小。在突变过程中，对外区流速用尾流函数来修正，可以得到H的值，如表1所示，II值在突变点处突然增大，以后就逐渐减小，表1中X为测点到糙率突变处的沿程距离(cm),突变前为负，突变后为正。表1桩率突减靖况下流速分布公式中各参敷值x/cm-7010203040557085100300B9.227.3】10.99.69.487,087.197.036.778.13n0.190.650.80.640.190.140.160.110.120.21根据实测的实验资料，以7.09cm水深水力粗糙到水力过渡突变情况为例，来分析糙率突减的紊动强度变化情况，其结果如图3,图3中N为紊动强度,力为试验水深

10、(cm)。0.18/16r0.140.12b)突变后203的紊动强度N0.20.180.120.2d)突变后100cm的紊动强度0.60.80.160.1400.20.40.60.8y!ha）突变后10s的紊动强度0.1'*00.20.40.60.8yihc）突变后40c的紊动强度图3水力权粒到水力过渡壁而突变养动强度沿程变化情况从图3可以看出，大粗糙到小粗糙突变过程中，在突变点处，紊动强度变化的剧烈，整个水深紊动强度都在发生明显的变化,特别是近壁区，紊动强度变化更加明显。随着水流向下游流动，素动强度变化逐渐减少,到充分发展的紊流区，外区摩阻流速几乎不变，接近常数。同糙率不变和糙率突增

11、情况一样，素动强度在近壁区变化剧烈，但最大值不是最靠近底部的区域，而是在大约0.20.4倍水深左右紊动强度最大，最大值达到0.2。在充分发展的紊流段，紊动强度最大值大约为0.15-0.16左右。3结论1) 糙率突减后，明渠紊流从一种均匀流到另一种均匀流转变的过程中，流速分区同样的分为内区和外区，内区分粘性底层和对数区。外区流速在均匀紊流形成过程中同充分发展的紊流流速分布趋势不同，但同样可以用尾流函数来修正。2) 糙率突减后，靠近突变点处，粘性底层流速较远离突变点处的流速大，但在对数区，靠近突变点处的流速增长比远离突变点处的要缓慢。对数区流速分布的拟合公式中积分常数B的值也发生相应的变化，先变大

12、而后变小最后趋于常数。对y/h>Q.2的外区，发展中的水流和充分发展后的水流外区流速分布明显的不同。外区流速分布同糙率增大的情况完全不同，接近突变点处，外区流速往上偏离对数区的程度比充分发展的素流偏离的还要大。远离突变点后偏离的程度逐渐减小。对突变过程中外区流速用尾流函数来修正，得到IT值在突变点处突然增大，以后就逐渐减小。3) 糙率突减后各个断面的素动强度在近壁区变化比较剧烈，但其最大值不是在最底层，而是在粘性底层以上的区域，大约在0.20.4倍水深处达到最大值0.2,以后又逐渐降低，接近水面处最低，此时的紊流度要小于粘性底层的素动强度。由于自由水面的影响，在水面处紊动强度不是最小。4

13、) 糙率突减时，糙率突减后的紊流在发展过程中，紊动强度比充分发展后紊流的紊动强度要大的多。在突变点处，紊流度变化的剧烈，整个水深素流度都在发生明显的变化，特别是近壁区，素动强度变化更加明显.随着水流向下游流动，素动强度变化逐渐减少，到充分发展的紊流区，外区摩阻流速几乎不变，接近常数。参考文献：1JDanNaot.ResponseofChannelFlowtoRoughnessHeterogeneity.JournalofHrdaulicEngineering,1985,110(1).2刘士和，余顺超.壁面粗植度突变对湖流边界层的影响J.水动力学研究与进展.1998,(3),35-40.3沈熊.

14、激光多普勒测速技术及应用M.北京，清华大学出版社,2004.ATestAnalysisofOpenCanalBottomCoefficientofRoughnessAnticlimaxonTurbulentVelocityofFlowandIntensityofTurbulenceInfluenceZHANGHong-guang,FANZhi-gao»YINHong-xia>WANGFang-yong(CollegeofWaterandElectricity,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,China)Abstract:Byt

15、estingopencanalturbulentflowaswallsurfacecoefficientofroughnessanticlimaxusinglaserDoppleranemometer,authorhasmeasuredopencanalportraitaverageflowvelocityperhourandfluctuatingvelocityasvariouswaterdepthcoefficientofroughnessanticlimaxandhasgainedopencanalturbulentdistributioncharacteristicofaverageflowvelocityperhourafterwallsurfacecoeffic