粗糙透水床面明渠水流垂线流速分布的试验研究.docx

1、粗糙透水床面明渠水流垂线流速分布的试验研究陈兴伟璀，林木生二林炳青'(1.福建师范大学地理科学学院，福州350007；2.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州350007)摘要：冲积河流的粗颗粒河床，具有较大的渗透性，河床渗透对明渠水流运动特性的影响不可忽视.通过水槽试验，研究了河床渗透对垂线流速分布的影响.距试验玻璃水槽进口10m处，设计一个长1.65m、宽0.7m的收缩段，由12层直径1cm的玻璃珠紧密有规则铺成，以模拟粗糙透水床面.其上下游铺上1层相同玻璃珠，形成粗糙度相同但不透水的床面.垂线流速分布通过激光多普勒测速仪及配套的高精度坐标架系统测量.试验施放了3种流量，

2、分别在不透水和透水床面进行垂线流速分布测量.试验结果表明：1)不透水床面的垂线流速分布符合粗糙床面的对数分布公式；2)粗糙透水床面明渠流的垂线流速分布与不透水床面相似；3)相同水流条件下，透水床面的摩阻流速要大于不透水床面；4)透水床面的摩阻流速与积分常数的变化规律有待进一步研究.关键词：流速分布；试验研究；透水床面；明渠流中图分类号：TV133.1文献标识码：A文章编号：1673-7105(2012)04-0016-04ExperimentalMeasurementsfortheVelocityDistributionofTurbulentOpen-channelFlowoveraPerme

3、ableRoughBedCHENXing-wei1,2,LINMu-sheng1,LINBin-qing1(1.SchoolofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China；2.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofHumidSubtropicalMountainEcology,Fuzhou350007,China)Abstract:Alaboratoryexperimentalresearchisreported,whichconsideredeffectsofbedpermeabili

4、tyonthevelocitydistributionofturbulentopen-channelflow.Theexperimentwasconductedinaglass-sidedflumethatwas20mlong,0.8mwideand0.6mdeep,anditsbedwasgluedalayerofuniformmarbleswithadiameterof1cm.Locatedatadistanceof10mfromtheupstreamendoftheflumewasarectangularrecessthatwas1.65mlongand0.7mwide.Theperme

5、ablebedissimulatedintherecesswhereiswellpackedwithelevenlayersofthesamemarble.ThevelocitymeasurementswerecarriedoutusingalaserDopplervelocimeter(LDV,DANTEC)andtheprobeoftheLDVwasinstalledbyahighresolutiontraversingsystem.Themeasurementswereconductedunderthreeflowconditions.Velocitydistributionat2loc

6、ationsforimpermeablebedand3forpermeablebedweremeasured.Theresultsshowthatthevelocitydistributionforimpermeablebedfollowsthelawofthewallwhenthereferencelevelisloweredto0.25-diameterofthemarbletop.Forpermeablebed,itsdistributionissimilartothatoverimpermeablebed,butwithlargershearvelocityandsmallerinte

7、grationconstant.Still,howtheshearvelocityandintegrationconstantvaryneedfurtherinvestigation.Keywords：velocitydistribution；experimentalmeasurement；permeableroughbed；open-channelflow冲积河流河床一般为泥沙组成.由于泥沙颗粒间的孔隙，在不同地下水位及河道水位作用下，河床收稿日期：20124)8-14基金项目：国家自然科学基金(50979015)作者简介：陈兴伟(1963)，男，福建福鼎人，教授，博士，从事河流水沙污染物过

8、程及模拟研究，(E-mail)cxwchen215.透水形成渗流.当泥沙颗粒较粗，床面渗透作用较大时，渗流与明渠水流的相互作用，必然导致明渠水流运动特性的变化.总体上看，传统明渠动力学、水力学理论视河床表面为刚体，不考虑床面的这种渗透作用.在很少的相关研究中，Lovera等比较早地关注了这一问题，他们通过分析河道及水槽观测资料，认为冲积河流的阻力特性并不遵循粗糙不透水床面流动的规律.Zagni等用铅粒、钢珠铺成的床面研究明渠流的运动，结果表明，这种透水床面的水流阻力比相同条件下的不透水床面要来得大.Nezu的试验发现，卡门常数k随着渗透能力的增强而减小；G叩ta等的试验研究得到了类似的结论.Z

9、ippe等通过风洞试验，比较了不透水与透水床面流动特性的不同，也认为在相同的粗糙度下，透水床面的阻力大于不透水床面.Mendoza等对透水（多孔介质）床面的明渠水流垂线流速分布进行了理论分析，得到了修正后的对数流速公式.近年来，由于数值模拟方法的发展和测量技术的改进，又有一些新的研究成果，如Stoesser等的应用大涡方法（LES）进行的数值模拟，Pokrajac等应用粒子影像流速仪对透水床面流动特性进行的测量，也未对透水床面垂线流速分布规律进行深入分析.因此，本研究通过水槽试验，应用激光多普勒测速仪（LDA）及配套的高精度坐标架系统，对垂线流速分布进行精细测量，进而初步分析透水床面明渠水流垂

10、线流速分布规律.1试验装置和测方法试验水槽与床面布设如图1所示.水槽长20m,宽0.8m,深0.6m,可变坡底板为油漆过的钢板,两侧壁为玻璃.距水槽进口10m处是一个长1.65m、宽0.7m的收缩段，由12层直径1cm的玻璃珠紧密有规则铺成，以模拟粗糙透水床面.其上下游铺上1层相同玻璃珠形成粗糙度相同但不透水床面,ytQGOOOOOytQGOOOOO图i粗糙不透水与透水床面示意图Figure1Schematicdiagramoftestsection长度分别为5m和2.5m.试验中，用精度为0.1mm的测针最测水面高程，流量由安装在进水管道上的电磁流量计测最，通过变频控制稳定流量.采用丹麦Da

11、n-Tec生产的二维LDA测量水槽中垂线上的流速分布，LDA安装在同时进口的三维坐标架上，位移精度为6.25pjn.3组试验的水力参数如表1.表1中H为水深,Fr为弗劳德数.3组试验的水深基本不变而调整流S,每次都待系统运行稳定后再进行流速测量，本次试验只测量纵向流速.分别在不透水和透水床面测量了2条和3条垂线，位于x=-19.35cm、-16.75cm、89.65cm、94.0cm和99.25cm.每根垂线位于玻璃珠顶部，都从距顶部0.2cm处开始测量；在0.2倍水深内测量了52点，大于文献提出的最小50点的要求.6为水槽宽度，U为断面平均流速，底为雷诺数试验编号/cmb/HU/(ms-i)

12、iReFr117.54.60.443767000.34217.54.60.504872000.38317.54.60.543941000.41表1试验水力参数Table1HydraulicparametersoftheexpeHmentsChenXing-wei,LinBin-qing,LinMu-sheng.InfluenceofsamplesizeontheanalysisofvelocitydistributioninopenchannelflowJ.AdvancesinScienceandTechnologyWaterResources,2013,tobepublished.陈兴伟，林

13、炳青，林木生.样本容量对明渠垂线流速分布对数公式拟合的影响J.水利水电科技进展，2013,待刊.2试验结果分析2.1粗糙不透水床面的垂线流速分布(1)根据文献9的综合研究，粗糙不透水床面的明渠流动存在着流速均匀分布粗糙底层，其上为对数分布区，流速分布遵循对数公式：=1n:+du.kkt式（1）中，“为距床面y处的流速，奴为摩阻流速，k为卡门常数，为为理论零点距粗糙顶部的高度,九为粗糙高度（通常取值球体直径），B为积分常数.不透水床面3组试验共6条垂线的结果表明，当为=0.25此时，流速分布遵循对数律，如图2.理论零点的变化与Einstein、0,Laughlin、Blinco等人的结果相近.当

14、卡门常数取值0.4,3组试验的流速分布分别用公式（1）进行拟合，可以得到各自的摩阻流速如表2.3组试验的拟合结果如图3,为：u1y+0.25k.-In-+10.1u.kki相关系数为0.978,表明与公式（1）相符合；且积分常数为10.1,与文献9报道的9.4相差约7%2.2粗糙透水床面的垂线流速分布图4为相同水流条件下，粗糙透水床面的垂线流速分布与不透水床面的比较.在对数坐标下，粗糙透水床面的流速分布呈线性，与不透水床面相似，流速分布遵循对数律，且北=0.25如；但斜率大于后者.透水床面3组试验共6条垂线的0.600.550.500.450.400.350.300.250.20-试验1成=0

15、）x试验l（y°=0.25k,）口试验3（/o=0）。试验3（，。=0.25上）10y+y<>/mm图2理论零点修正前后的流速分布Figure2Velocitydistributionwithandwithoutthemodificationoftheoreticbedlevel100试验编号1*./(m不透水透水-Au.u.*/%-B-矿'/%不透水透水10.0300.03413.38.9411.620.0340.04017.610.18.6014.930.0380.04313.28.7713.2不透水与透水床面试验结果比较overpermeableandimp

16、ermeableroughbeds表2Table2Comparingresults0.1(y+0.25k,)/ks50图4粗糙透水床面流速分布(试验1)Figure4Velocitydistributionforpermeableroughbed(test1)50504433oooO(-SU0M结果与此相似.图3粗糙不透水床面流速分布的对数律Figure3Velocitydistributionforimpermeableroughbeds同理，当卡门常数取值不变为0.4时，试验所得的流速分布分别用公式（1）进行拟合，可以得到各自的摩阻流速和积分常数.图5为粗糙透水床面试验1的3条垂线流速分布

17、，拟合结果为：图5粗糙透水床面流速分布(试验1)Figure5Velocitydistributionforpermeableroughbed(test1)u1.y+0.25九=1n:图5与式（3）表明，相同试验条件下，3条垂线流速分布遵循同一规律，说明在模拟粗糙透水床面的1.65m试验段内，尽管该段的头尾部分水流条件受其上下游不透水床面的影响，但在*=89.65-99.25cm之间或其前后一定范围内，流动条件比较一致，可以反映粗糙透水床面水流运动特性.在此段内的测量结果可以用于与不透水床面进行比较.其他2组试验结果与此相似，所得参数见表2.表2数据说明，粗糙透水床面流动的摩阻流速明显大于不透

18、水床面，超过13%.积分常数有一定的减小，其中大者接近15%.3结论应用LDA和高精度坐标架等系统的试验结果表明:1）不透水床面的垂线流速分布符合粗糙床面的对数分布公式，其中理论零点为0.25倍球体直径;2）粗糙透水床面明渠流的垂线流速分布与不透水床面相似；3）相同水流条件下，透水床面的摩阻流速要大于不透水床面.对于透水床面的摩阻流速与积分常数的变化规律，尚有待于进一步的试验与理论分析.参考文献(References):1LoveraF,KennedyJF.FrictionfactorsforflatbedflowsinsandchannelsJ.JournalofHydraulicsDivi

19、sion,1969,95(4) ：1227-1234.2 ZagniAFE,SmithKVH.ChannelflowoverpermeablebedsofgradedspheresJ.JournalofHydraulicsDivision,1976,102(2)：207-222.3 NezuI.TurbulentstructureinopenchannelflowD.KyotoUniversity,Kyoto,Japan,1976.4 GuptaAD,PaudyalGN.CharacteristicsoffreesurfaceflowovergravelbedJ.JournalofIrrigationandDrainageEngineering,1985,111(4)：299-319.5 ZippeHJ,GrafWH.Turbulentboundary-layerflowoverpermeableandnon