試驗(yàn)水槽水流紊動(dòng)特性分析

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1、矩形水槽水流紊動(dòng)特性分析1觀測(cè)概況實(shí)驗(yàn)采用超聲多普勒流速儀(MicroADV)在玻璃水槽中進(jìn)行三維流速觀測(cè)。水槽長(zhǎng)12m、寬50cm、深50cm，最大供水流量40，水槽兩側(cè)壁為有機(jī)玻璃，在一側(cè)壁開一標(biāo)準(zhǔn)三角堰形出水通道。水槽底部為光滑水泥抹面。水槽底坡固定。通過設(shè)在水槽進(jìn)口的導(dǎo)葉及平水柵和尾門處的平板閘門來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流態(tài)的控制。試驗(yàn)段長(zhǎng)約6m，測(cè)驗(yàn)段長(zhǎng)約3m。觀測(cè)垂線均布置在水槽的中軸線上，試驗(yàn)觀測(cè)垂線布置見圖1。各測(cè)次水流紊動(dòng)觀測(cè)概況見表1。每組觀測(cè)數(shù)據(jù)包括測(cè)點(diǎn)水深、縱向流速、橫向流速、垂向流速等。采樣時(shí)間間隔為0.02s。根據(jù)流速儀的性能，采集到的數(shù)據(jù)不是瞬時(shí)值，而是范圍內(nèi)多次采樣的

2、平均值。表1水槽紊動(dòng)觀測(cè)試驗(yàn)水力因子概況表觀測(cè)測(cè)次編號(hào)1#-12#-11#-22#-2水溫（°C）20.320.320.320.3觀測(cè)時(shí)間間隔（s）0.020.020.020.02觀測(cè)歷時(shí)（s）300300300300水深（m）0.2550.2550.3150.315摩阻流速（m/s）0.049990.049990.055560.055563水流紊動(dòng)特性分析3.1水流紊動(dòng)的準(zhǔn)周期性5各測(cè)點(diǎn)流速脈動(dòng)過程觀測(cè)資料表明，各測(cè)點(diǎn)流速的脈動(dòng)過程線基本類似，并具有大小不同的準(zhǔn)周期。見圖2、圖3。圖2的縱向平均流速0.201時(shí)，縱向流速0.282和0.115出現(xiàn)的時(shí)間間隔分別約為0.3～3s和0.

3、5～5s。對(duì)于確定的測(cè)點(diǎn)，長(zhǎng)歷時(shí)觀測(cè)的平均流速值出現(xiàn)的時(shí)間間隔最短，在平均流速值上增加或減少同樣數(shù)值的流速出現(xiàn)的時(shí)間間隔都同樣增大，且增大幅度接近。3.2脈動(dòng)流速的概率分布將垂線上各點(diǎn)測(cè)取的、、分別進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，求出各流速區(qū)間內(nèi)流速出現(xiàn)的頻率，點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)概率曲線和理論正態(tài)概率曲線，見圖4、圖5。圖中為相對(duì)水深；為垂線上的測(cè)點(diǎn)水深，從河底算起；為垂線水深。理論正態(tài)概率密度函數(shù)計(jì)算式為：（1）式中：為瞬時(shí)流速的概率密度函數(shù)；為瞬時(shí)流速的時(shí)均值；為瞬時(shí)流速的均方差。從圖4、圖5可以看出，由實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的流速概率分布與理論正態(tài)計(jì)算的概率分布相比，在自由紊流區(qū)（圖中Y>0.16的測(cè)點(diǎn)）相對(duì)比較接

4、近，而在近壁強(qiáng)剪切紊流區(qū)則相對(duì)偏離較大。53.3時(shí)均流速沿垂線分布時(shí)均流速沿垂線分布如圖6、7所示?？梢钥闯?，橫向、垂向流速值很小，沿垂線分布很均勻，可近似用指數(shù)流速分布公式描述，因水槽有側(cè)向出流，橫向流速與垂向流速相比略??；縱向流速值最大，沿垂線分布不均勻，垂線上最大流速值不在水面，而是出現(xiàn)在水面以下，實(shí)測(cè)流速值與指數(shù)流速分布公式、對(duì)數(shù)流速分布公式計(jì)算值均存在一定差別，與對(duì)數(shù)流速分布公式計(jì)算值的差別相對(duì)較大。指數(shù)流速分布公式為：（2）式中：為垂線上相應(yīng)于水深為的點(diǎn)的時(shí)均流速；為垂線平均流速；為垂線水深；為系數(shù)，一般取。對(duì)數(shù)流速分布公式為：（3）式中：為摩阻流速；為糙率尺度值，一般取

5、為床沙級(jí)配曲線中的；為校正值，是的函數(shù)，為層流層的厚度。53.4水流紊動(dòng)強(qiáng)度脈動(dòng)流速的均方根為水流紊動(dòng)強(qiáng)度，即。紊動(dòng)強(qiáng)度與相應(yīng)時(shí)均流速的比值為紊流的相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度，即。圖8、圖10分別為1#-2、2#-2垂線紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布，圖9、圖11分別為1#-2、2#-2垂線相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布?？梢钥闯?，縱向紊動(dòng)強(qiáng)度最大，沿垂線最大值出現(xiàn)在近底區(qū)，向上、向下強(qiáng)度均減小，近底區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度隨水深變化梯度最大，相對(duì)水深0.2至1.0部分，紊流強(qiáng)度近似為線性變化；橫向紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布的形態(tài)與縱向紊動(dòng)強(qiáng)度類似，只是數(shù)值略?。淮瓜蛭蓜?dòng)強(qiáng)度最小，沿垂線分布不均勻，近似為指數(shù)曲線沿水深分布。從圖10、圖1

6、1中可以看出，兩觀測(cè)垂線相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布形態(tài)相近。兩垂線縱向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布非常均勻，幾乎為恒定值，數(shù)值最小，接近于零；兩垂線垂向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布比較均勻，近似為恒定值，且數(shù)值與縱向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度接近；兩垂線橫向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布變化劇烈，沿水深在Y軸左右波動(dòng)，在近底區(qū)數(shù)值趨向于零，沿水深在數(shù)值上明顯大于縱向、垂向相對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度。3.5雷諾應(yīng)力沿垂線分布雷諾應(yīng)力是因紊動(dòng)水團(tuán)的交換在層流之間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。雷諾應(yīng)力5的表達(dá)式為：（4）在上式中，當(dāng)時(shí)，為雷諾法向正應(yīng)力，當(dāng)時(shí)，為雷諾切應(yīng)力。根據(jù)垂線各點(diǎn)實(shí)測(cè)的三向脈動(dòng)流速，可直接計(jì)算出雷諾應(yīng)力的各個(gè)分量。因雷諾應(yīng)力為二階對(duì)

7、稱張量，只需計(jì)算3個(gè)正應(yīng)力和3個(gè)切應(yīng)力。圖12繪出了1#-2垂線（）與（）沿垂線分布，圖13繪出了2#-2垂線（）與（）沿垂線分布。從圖12、圖13可以看出，兩觀測(cè)垂線雷諾應(yīng)力沿水深分布規(guī)律相近。兩觀測(cè)垂線三個(gè)方向雷諾正應(yīng)力從總的變化趨勢(shì)上看，對(duì)于確定水深點(diǎn)，縱向雷諾正應(yīng)力最大，橫向居中，垂向最小。縱、橫向雷諾正應(yīng)力均隨水深的增加逐漸加大，然后在近底區(qū)一定水深范圍內(nèi)隨水深的增加逐漸減小，縱、橫向雷諾正應(yīng)力沿垂線出現(xiàn)最大值的位置在相對(duì)水深為0.1～0.2范圍