明渠渠底糙率突變對紊流摩阻流速及壁面切應(yīng)力影響的試驗分析.docxVIP

1、水利水電技術(shù)第38卷2007年第1期明渠渠底糙率突變對麥流摩阻流速及壁面切應(yīng)力影響的試驗分析張紅光，路明，范志高，尹紅霞(河北工程大學水電學院，河北邯鄲056021)【摘要】通過激光測速儀，對壁面糙率突變時的明渠養(yǎng)流進行試驗，測量了糙率突變不同水深情況下明渠紊流的縱向時均流速和脈動流速。通過實測資料分析不同糙率突變和不同水深的紊流摩阻流速變化情況和水流的壁面切應(yīng)力的特點?！娟P(guān)鍵詞】糙率；紊流；摩阻流速；壁面切應(yīng)力中圖分類號：TV133文獻標識碼：A文章編號：1000-0860(2007)01-0089-04Experimentalanalysisoninfluencefromsuddencha

2、ngeofroughnessofopenchannelbottomonfrictionvelocityofturbulentflowandwallshearstressZHANGHong-guang,LUMing,FANZhi-gao,YINHong-xia(CollegeofWaterandElectricity,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,Hebei,China)Abstract:Theturbulentflowinopenchannelistestedwithlaser-Doppleranemometer,inwhichthelon

3、gitudinaltimeaveragevelocityandfluctuatingvelocityofturbulentflowinopenchannelundertheconditionsofthesuddenchangesofroughnessesaldifferentwaterdepthsaremeasured.Basedonthemeasureddata,thechangeofthefrictionvelocityofturbulentflowandthechar-acterislicsofthewallshearstressunderdifferentsuddenroughness

4、esanddifferentwalerdcplhsarcanalyzedherein.Keywords:roughness；turbulentflow；frictionvelocity；wallshearstress現(xiàn)今對明渠水流的研究取得了許多成果，但由于其復雜性，對明渠水流壁面的粗糙程度、斷面形狀、底坡、寬深比及上下游水力條件等因素的變化和不同組合對流速分布、紊動特性以及水流阻力特性的影響等問題，都沒有成熟的理論和認識。對紊流的研究，有很多問題需要解決，特別是糙率突變的明渠紊流。從國內(nèi)外研究資料看，對明渠渠底糙率突變和糙率區(qū)域變化的研究還不成熟，有待于進一步深入探討和研究。由此，在工程應(yīng)用

5、中，有必要對壁面粗糙度突變后明渠流動特性進行研究。本文采用激光測速儀測量了糙率突增和糙率突減兩種情況下，三種不同水深的紊流時均縱向流速分布和縱向脈動流速分布。分析不同糙率突變和不同水深的紊流，突變點后水流的摩阻流速變化情況及水流的壁面切應(yīng)力的變化特點。1試駛裝置及測量系統(tǒng)1.1試驗裝置試驗水槽：矩形的有機玻璃水槽，K12m、寬0.4m、高0.7m,底部坡度為0.1%,為穩(wěn)定進口流量和平順水槽進口流態(tài)，水槽頭部與矩形堰底部出水處用45。傾斜光滑板連接。粗糙板制作：水槽中鋪設(shè)光滑的塑料板，對壁面人工加糙。試驗采用3種不同的壁面，分別為光滑壁面，小粗糙壁面和大粗糙壁面。對于均勻粗糙顆粒緊密地布滿壁面

6、的情形，顆粒直徑可以作為九。小粗糙壁面用0.150.25mm粒徑的篩子篩選大致均收稿日期：2006-10-11IVaterResoumsandHydrops”EngineeringVol.38No.189基金項目：河北省科技領(lǐng)車人才創(chuàng)新資金項目資助(06547001D-4)。作者簡介：張紅光(1969-),男，講師。張紅光，等明渠耍底植率突變對親流摩阻流速及壁面切應(yīng)力影響的試驗分析勻的砂粒緊密的粘在橡膠板上。實際測*制成的粗糙板，粗糙板底部到砂粒頂部的距離測量為0.21cm,即認為&為0.21。大粗糙壁面用510mm粒徑的篩子來篩選砂粒，測量4高度為0.62cmo供水系統(tǒng)：采用恒壓水箱

7、循環(huán)供水，實驗時采用同一流量，尾門調(diào)節(jié)水位，測針測量水位。進口段穩(wěn)定區(qū)和水槽尾部均安裝測針，確保實驗是均勻流。1.2測量系統(tǒng)激光測速儀(leaserDopplerVelocimetry,LDV),是利用激光多普勒效應(yīng)來測足流體運動速度的一種儀器。當激光照射到跟隨流體一起運動的固體微粒時，激光被微粒所散射，通過測得散射光的頻率和入射光的頻率之差，測得的微粒的運動速度，可知微粒所代表的流體運動的速度。本文采用清華大學研制的SCD-22型二維頻移激光測速儀測定水槽水流流速。該測速儀具有非接觸測量、線性特性、較高的空間分辨率和快速動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點，其綜合指標測速范圍為：-515m/s；測速精度優(yōu)于！。主

8、要由以下幾部分組成：HE-NE激光器，入射光單元，接收光單元，頻移單元，前置放大濾波器，多普勒信號處理器及計算機系統(tǒng)和光學導軌及坐標架系統(tǒng)。實驗時只采用兩束光，測屋一維流速，即縱向時均流速和縱向脈動流速。2試驗結(jié)果及分析2.1試驗設(shè)計糙率突增的試驗，糙率組合分別為光滑到水力過渡壁面、光滑到水力粗糙壁面和水力過渡到水力粗糙壁面；糙率突減情況則為水力粗糙壁面到水力過渡壁面。每組糙率突變的試驗采用三種水深，分別為7.09cm、8.45cm和9.8cm。通過實測資料主要分析糙率突然改變以后時均流速分布、紊流結(jié)構(gòu)、摩阻流速及壁面切應(yīng)力變化情況。紊流糙率突變的試驗，底板糙率改變從4.1m開始，以保證突變前

9、水流已發(fā)展成為充分發(fā)展的紊流。糙率突增的實驗斷面選取在糙率突變前10cm、突變點處、突變點后5cm、15cm、30cm、60cm、100cm、150cm、220cm和350cm處；水力粗糙壁面到水力過渡壁面突變的試驗斷面選擇在突變點前70cm,突變點后10cm、20cm、30cm、40cm、55cm、70cm、85cm、100cm和300cm處。各斷面測點從底部1mm處開始測量，最底部每隔0.2mm測一次，往上隔0.5mm、1mm,到外區(qū)則每隔5mm測量一次。每個測點同時測量3次，實驗結(jié)果取3次的均值。2.2壁面糙率突增的明渠紊流摩阻流速2.2.1同一槽底板不同水深的摩阻流速沿程變化特性選用y

10、/YO.2以內(nèi)流場的流速測點，利用實測的流速分布，給定卡門常數(shù)值，根據(jù)公式=TXw.kInj+B反算摩阻流速。由試驗測定的數(shù)據(jù)經(jīng)整理后，繪出圖1、圖2和圖3分別示出三種槽底板的三個水深的摩阻流速的沿程變化情況。O7.09cm水深1.6.°8.45cm水深O9.8cm水深1.4弓。O1.2ooo.oO1.0a0.8aaaa-1000100200300400流程x/min圖1光滑到小粗糙糙率突增不同水深廉阻流速分布0100200300400流程x/mmO7.09cm水深°8.45cm水深9.8cin水深圖2光滑到大粗糙糙率突增不同水深摩阻流速分布圖中流程坐標丸的零點為糙率突變點

11、，第一個點為糙率突變前10cm處，即x=-10cm0摩阻流速變化用u.2/u.,表示。代表糙率突變以前均勻流的摩阻流速，皿2是糙率突變以后各斷面的摩阻流速。光滑一水力過渡壁面，光滑一水力粗糙和水力過渡一水力粗糙三種糙率突增情況下，相應(yīng)的摩阻流速先是突增，過峰值之后急劇減小，減小趨勢逐漸變緩，最后趨于一定值。由此可見，當糙率突增時，水張紅光，等明渠渠底精率突變對紊流摩阻流速及壁面切應(yīng)力影響的試驗分析。7.09cm水深°8.45cm水深9.8cm水深。光淚到小和福光滑到小Hl槌到Afiltt0.81«'1'>-)001020304050流程x/h圖5大水深

12、不同槽底板糙率突變的摩阻流速變化圖3小粗糙到大粗糙糙率突變不同水深摩阻流速分布o光滑到XHItt小粗到0.8111111-1001020304050流程X/mm圖6水力粗糙一水力過渡突變摩阻流速沿程變化流由一種均勻流突然向另一種均勻流過渡，摩阻流速由急劇增加到減小是水流由一種均勻流變?yōu)榱硪环N均勻流的過渡段，當摩阻流速趨于一定值時，流動已變?yōu)榱硪环N均勻流。水深不同，摩阻流速大小不同，但摩阻流速的變化趨勢相同。摩阻流速隨著水深的增大而減小。2.2.2相同水深不同槽底板的摩阻流速分布為分析糙率增加程度不同對摩阻流速的影響，圖4、圖5分別示出水深相同的情況下不同槽底板的摩阻流速沿程變化情況。光滑到小和

13、耘圖4小水深不同槽底板糙率突變的摩阻流速變化小水深和大水深情況中，槽底板糙率增加程度不同時，摩阻流速發(fā)生變化的區(qū)域和趨勢基本上是一致的，一般在為10倍水深以內(nèi)摩阻流速變化大；隨著槽底板糙率增加程度的不同，相應(yīng)的摩阻流速變化程度也不同，光滑一水力粗糙的情況糙率增加最大,相應(yīng)的摩阻流速的變化也大；光滑一水力過渡壁面的情況下摩阻流速的變化最小，與水力過渡一水力粗糙壁面的摩阻流速變化情況較接近。2.3壁面糙率突減的明渠紊流摩阻流速從圖6可以看出，糙率突減的情況下，摩阻流速先急劇降低，在突變點處摩阻流速最小，然后逐漸增加，到100cm以后摩阻流速變化減小。這是由于糙率突然減少時，壁面切應(yīng)力急劇減小的緣故

14、。圖7為水力粗糙一水力過渡壁面與水力過渡一水力粗糙壁面摩阻流速對比圖。突變點以后，糙率突增與糙率突減情況下摩阻流速朝著相反的方向變化。糙率突增時，摩阻流速急劇增加，然后增勢減緩，最后趨近常數(shù)。糙率突減則正好相反，摩阻流速在突變點處急劇減小然后再增加最后趨于常數(shù)。1.71.51.3oo到小機S&o小ooo11oA0.9-*0.7AS-1-15-5515253545,流程x/h圖7糙率突增與糙率突減摩阻流速對比2.4壁面切應(yīng)力根據(jù)70=P-U；可知，壁面切應(yīng)力隨著摩阻流速的變化而相應(yīng)的發(fā)生變化。壁面切應(yīng)力在水力光滑壁面最小，壁面粗糙度越大，切應(yīng)力相應(yīng)地也越大。糙率突增時，壁面切應(yīng)力在糙率突

15、變點附近急劇增大,并大于壁面上完全發(fā)展紊流壁面切應(yīng)力，然后順流減小，直至達到水力過渡壁面上的壁面切應(yīng)力。槌率突減的情況則正相反，壁面切應(yīng)力從大變?yōu)樽钚。缓笥种饾u增加趨近于完全發(fā)展紊流的壁面切應(yīng)力。同時，糙率突變程度越大的情況，壁面切應(yīng)力的變化也越劇烈，特別是在突變點處。3結(jié)論對糙率突變的明集紊流試驗結(jié)果進行分析，得到如下幾點結(jié)論。糙率變化是影響摩阻流速最主要的因素，糙率改變幅度越大，摩阻流速變化也相應(yīng)地最大。糙率突變后，在靠近突變點處摩阻流速變化劇烈，隨著水流往下游流動，糙率變化逐漸緩和。對各種糙率組合不同水深情況下，各斷面的摩阻流速的變化區(qū)域是一致的。糙率突增情況下，摩阻流速在突變點處突增

16、，過峰值后急劇減小，隨后減小趨勢變緩，趨于一個定值。糙率突減的情況則相反，摩阻流速先急劇降低，在突變點處摩阻流速最小，然后逐漸增加，到充分發(fā)展的紊流處，摩阻流速不再變化。水深對摩阻流速的也有影響，相同糙率組合時,水深越小，摩阻流速越大，水深越大摩阻流速反而越小。壁面切應(yīng)力變化隨著摩阻流速的變化而變化，其變化情況同摩阻流速變化相一致。參考文獻：1 肖洋.光滑壁面明梁紊流邊界H擬序結(jié)構(gòu)實驗研究D.南京：河海大學.2002.2 劉春血.李丹勤.王興全.明渠均勻紊流的摩阻流速及流速分布JL水利學報，2005.36(8):950-955.3 沈熊激光多普勒測速技術(shù)及應(yīng)用M.北京：清華大學出版社.2004

17、.4OslerlundJM,JohanssonAV.NagibHM,elal.Anoteontheo-verlapregionintuibulentboundarylascraJ.Phys.Fluids.2000,12(1)：1-4.(責任編輯歐陽越)(上接第88頁)速峰值影響顯著。閘門關(guān)閉速度越快，通氣孔風速峰值越大。表5不同工況事故倒門關(guān)閉過程各測點最小壓力值及最大脈動值統(tǒng)計kPa工況最小時均最大脈動最大均弧門開度/%水位/m壓力值壓力值方根值570.00-7.7102.129.6100600.00607.94-20.3-239.494.1570.00-20.1-129.64575600.

18、00-22.4-182.1117.1607.94-31.5-232.968.8570.00-16.8171.839.850600.00-2).6204.446.6607.94-22.3-205.261.6570.00-5.2-127.726.425600.00-56.3182.061607.94-53.2-21950(2)摩擦力是持住力測量計算中的主要因數(shù)，摩擦系數(shù)主要取決于支撐情況和滑道材料。事故閘門在相同工況動水關(guān)閉過程中，持住力隨摩擦系數(shù)的增加而減??；在相同摩擦系數(shù)時，持住力隨上游水位的升高而增大。本文對摩擦力采用敏感性分析，選取0.05,0.085,0.12三組摩擦系數(shù)(閘門采用鋼塑滑道，摩擦系數(shù)變化范圍為0.050.12)分別計算持住力。當摩擦系數(shù)取0.05時持住力最大，其值為11388kN；當摩擦系數(shù)取0.12時，持住力最小，其值為146kN。事故閘門啟閉機的設(shè)計容量為14000kN,啟閉機設(shè)計容量滿足動水下門要求。(3)從門槽段壓力特性來看，不同工況下，事故閘門關(guān)閉過程中，各測壓點中最小壓力值及最大脈動壓力值大多出現(xiàn)在緊貼門槽后側(cè)邊墻底部測點，是易發(fā)生水流空化空蝕的地方，這與不