試驗水槽水流紊動特性分析

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1、矩形水槽水流紊動特性分析1觀測概況實驗采用超聲多普勒流速儀(MicroADV)在玻璃水槽中進行三維流速觀測。水槽長12m、寬50cm、深50cm，最大供水流量40，水槽兩側(cè)壁為有機玻璃，在一側(cè)壁開一標準三角堰形出水通道。水槽底部為光滑水泥抹面。水槽底坡固定。通過設在水槽進口的導葉及平水柵和尾門處的平板閘門來實現(xiàn)對流態(tài)的控制。試驗段長約6m，測驗段長約3m。觀測垂線均布置在水槽的中軸線上，試驗觀測垂線布置見圖1。各測次水流紊動觀測概況見表1。每組觀測數(shù)據(jù)包括測點水深、縱向流速、橫向流速、垂向流速等。采樣時間間隔為

2、0.02s。根據(jù)流速儀的性能，采集到的數(shù)據(jù)不是瞬時值，而是范圍內(nèi)多次采樣的平均值。表1水槽紊動觀測試驗水力因子概況表觀測測次編號1#-12#-11#-22#-2水溫（°C）20.320.320.320.3觀測時間間隔（s）0.020.020.020.02觀測歷時（s）300300300300水深（m）0.2550.2550.3150.315摩阻流速（m/s）0.049990.049990.055560.055563水流紊動特性分析3.1水流紊動的準周期性5各測點流速脈動過程觀測資料表明，各測點流速的脈動過程線基

3、本類似，并具有大小不同的準周期。見圖2、圖3。圖2的縱向平均流速0.201時，縱向流速0.282和0.115出現(xiàn)的時間間隔分別約為0.3～3s和0.5～5s。對于確定的測點，長歷時觀測的平均流速值出現(xiàn)的時間間隔最短，在平均流速值上增加或減少同樣數(shù)值的流速出現(xiàn)的時間間隔都同樣增大，且增大幅度接近。3.2脈動流速的概率分布將垂線上各點測取的、、分別進行概率統(tǒng)計，求出各流速區(qū)間內(nèi)流速出現(xiàn)的頻率，點繪經(jīng)驗概率曲線和理論正態(tài)概率曲線，見圖4、圖5。圖中為相對水深；為垂線上的測點水深，從河底算起；為垂線水深。理論正態(tài)概率密

4、度函數(shù)計算式為：（1）式中：為瞬時流速的概率密度函數(shù)；為瞬時流速的時均值；為瞬時流速的均方差。從圖4、圖5可以看出，由實測資料統(tǒng)計的流速概率分布與理論正態(tài)計算的概率分布相比，在自由紊流區(qū)（圖中Y>0.16的測點）相對比較接近，而在近壁強剪切紊流區(qū)則相對偏離較大。53.3時均流速沿垂線分布時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小；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)

5、在水面以下，實測流速值與指數(shù)流速分布公式、對數(shù)流速分布公式計算值均存在一定差別，與對數(shù)流速分布公式計算值的差別相對較大。指數(shù)流速分布公式為：（2）式中：為垂線上相應于水深為的點的時均流速；為垂線平均流速；為垂線水深；為系數(shù)，一般取。對數(shù)流速分布公式為：（3）式中：為摩阻流速；為糙率尺度值，一般取為床沙級配曲線中的；為校正值，是的函數(shù)，為層流層的厚度。53.4水流紊動強度脈動流速的均方根為水流紊動強度，即。紊動強度與相應時均流速的比值為紊流的相對紊動強度，即。圖8、圖10分別為1#-2、2#-2垂線紊動強度沿垂線

6、分布，圖9、圖11分別為1#-2、2#-2垂線相對紊動強度沿垂線分布?？梢钥闯?，縱向紊動強度最大，沿垂線最大值出現(xiàn)在近底區(qū)，向上、向下強度均減小，近底區(qū)紊動強度隨水深變化梯度最大，相對水深0.2至1.0部分，紊流強度近似為線性變化；橫向紊動強度沿垂線分布的形態(tài)與縱向紊動強度類似，只是數(shù)值略??；垂向紊動強度最小，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11中可以看出，兩觀測垂線相對紊動強度沿垂線分布形態(tài)相近。兩垂線縱向相對紊動強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

7、紊動強度沿垂線分布比較均勻，近似為恒定值，且數(shù)值與縱向相對紊動強度接近；兩垂線橫向相對紊動強度沿垂線分布變化劇烈，沿水深在Y軸左右波動，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、垂向相對紊動強度。3.5雷諾應力沿垂線分布雷諾應力是因紊動水團的交換在層流之間產(chǎn)生的剪切應力。雷諾應力5的表達式為：（4）在上式中，當時，為雷諾法向正應力，當時，為雷諾切應力。根據(jù)垂線各點實測的三向脈動流速，可直接計算出雷諾應力的各個分量。因雷諾應力為二階對稱張量，只需計算3個正應力和3個切應力。圖12繪出了1#-2垂線（）與（

8、）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，兩觀測垂線雷諾應力沿水深分布規(guī)律相近。兩觀測垂線三個方向雷諾正應力從總的變化趨勢上看，對于確定水深點，縱向雷諾正應力最大，橫向居中，垂向最小?？v、橫向雷諾正應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、橫向雷諾正應力沿垂線出現(xiàn)最大值的位置在相對水深為0.1～0.2范圍