沙紋床面渦量特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

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1、第46卷第23期人民長(zhǎng)江Vo1．46．No．232015年12月YangtzeRiverDeC．。2015文章編號(hào)：1001—4179(2015)23—0064—05沙紋床面渦量特性實(shí)驗(yàn)研究張向東，蔡瓊，厲凱，唐立模4(1．寧波市水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，浙江寧波315016；2．寧波市農(nóng)村水利管理處，浙江寧波3l50163．江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西南昌330000；4河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：沙紋的形成與水流流態(tài)密切相關(guān)，但對(duì)于其相互關(guān)系至今尚無(wú)確定的結(jié)論。采用PIV(ParticleImageVelocimetry)測(cè)量設(shè)備對(duì)沙紋床面水流特性及渦量特性

2、進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)平床與沙紋床面渦量場(chǎng)的比較，得到了沙紋床面的渦量分布區(qū)域。結(jié)果表明，渦量較大值主要集中在沙紋的背水坡面與迎水坡帶，之外區(qū)域渦量值約為零。結(jié)論對(duì)研究沙紋的形成有積極意義。關(guān)鍵詞：渦量特性；PIV；紊動(dòng)作用；沙紋床面中圖法分類號(hào)：TV142文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10．I6232／i．cnki．1001—4l79．2015．23．0151研究背景其分布規(guī)律。2實(shí)驗(yàn)裝置及流場(chǎng)驗(yàn)證床面形態(tài)與水流的流態(tài)密切相關(guān)。對(duì)應(yīng)于定床水流的緩流、臨界流、急流3種情況，可以將動(dòng)床水流流PIV的流場(chǎng)測(cè)試原理是將兩幅圖像的粒子進(jìn)行一態(tài)與床面形態(tài)相聯(lián)系進(jìn)行分類，從低能態(tài)流區(qū)到高能定的相關(guān)性運(yùn)

3、算，得到流場(chǎng)矢量圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)態(tài)流區(qū)依次為：沙紋、沙壟、平整床面、逆行沙壟和激光的強(qiáng)度和脈沖時(shí)問(wèn)進(jìn)行設(shè)置，照亮水中的PIV粒駐波、急灘與深潭。當(dāng)流動(dòng)變?yōu)殡p向流(即潮汐流)，子，并捕獲相關(guān)圖片，進(jìn)而得到流場(chǎng)信息。PIV或是水面存在波動(dòng)條件，亦或是二者的疊加，床面形態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)造和布置見(jiàn)圖1—2。測(cè)試斷面為沿水變化更為復(fù)雜而且多樣I3。水流會(huì)導(dǎo)致沙波的出流方向、平行水槽邊壁的縱向剖面。圖3是沙紋床面現(xiàn)，沙波又反過(guò)來(lái)影響水流結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為沙波的消條件下的粒子運(yùn)動(dòng)示意圖。為了高效地使用PIV測(cè)試長(zhǎng)與水流結(jié)構(gòu)變化。因此，通過(guò)研究水流與床面相互系統(tǒng)，得到合理、真實(shí)的流場(chǎng)信息，實(shí)驗(yàn)前對(duì)P

4、IV系統(tǒng)作用可以了解河流的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展。進(jìn)行合理地布置、調(diào)試、標(biāo)定”。。圖4為實(shí)驗(yàn)中所采對(duì)沙紋床面下的水流運(yùn)動(dòng)，前人做了大量的研究用的二維概化沙紋床面¨，波高1．5cm，迎水面波工作，但大多數(shù)是從速度場(chǎng)的角度進(jìn)行分析，未能長(zhǎng)14cm，背水面長(zhǎng)度2cm。實(shí)驗(yàn)中PIV參數(shù)設(shè)置見(jiàn)從渦量場(chǎng)的分布特性出發(fā)進(jìn)行研究。為了描述河床形表1。所采用的實(shí)驗(yàn)水流條件見(jiàn)表2。順?biāo)鞣较驗(yàn)閼B(tài)的發(fā)展、變化，不少研究者試圖從理論上建立動(dòng)力學(xué)軸，垂直水槽壁面為】，軸，垂直水槽底板為z軸。或運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方程，因其理論體系或邊界條件目前還CCD(Charged—coupledDevice)相機(jī)標(biāo)定的原則不完善，聯(lián)立求解水

5、流和床面泥沙的運(yùn)動(dòng)方程有較大是：在相機(jī)的焦距范圍內(nèi)盡量使所要拍攝區(qū)域的畫(huà)質(zhì)難度。與單點(diǎn)測(cè)量設(shè)備相比，PIV測(cè)量系統(tǒng)可以清晰。通常做法是，首先確定所需要測(cè)試(拍攝的)斷快速得到瞬時(shí)的、不受干擾的、全面的流場(chǎng)信息。因面的位置，在該處直立放置一把直尺，調(diào)節(jié)相機(jī)的焦此，本文通過(guò)PIV儀器來(lái)研究沙紋床面的渦旋運(yùn)動(dòng)及距，得到直尺刻度的清晰圖像。通過(guò)讀取標(biāo)尺與相機(jī)收稿日期：2015—06—19基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50909036)；水文水資源及水利工程學(xué)科國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)用自主研究項(xiàng)目(20l1585712)作者簡(jiǎn)介：張向東，男，工程師，博士，主要從事泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)方面

6、的研究。E—mail：317990830@qq．corn68人民長(zhǎng)江2015芷限制作用，渦量值也為零。具體見(jiàn)圖11。上就是顏色的均勻分布。參考文獻(xiàn)：【lJSimonsDB．，RichardsonEV．Formsofbedroughnessinalluvialchannels[J]．J．HydraulDiv．，ASCE，l961，87(3)：87—1O5．[2]VanderWerf，Jj，DoueetteJS，ODonoghue，T，etalDetailedmeasurementsofvelocitiesandsuspendedsandconcentrationsoverfull—s

7、calerippleinregularoscillatoryflow[J]．JournalofGeophysicsResearchEarthSurface，2007，l12(E2)：1059—1101[3]VanderWerfJJ，MagarV，Malarkey．f，eta1．2DVmodelingofsedi—menttransportprocessesoverfull—scaleripplesinregularasymmetricmoscillatoryflow[