跌坎下游流場(chǎng)的時(shí)均流速分布和脈動(dòng)特性.docx

1、水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展JOURNALOFHYDRODYNAMICSSer.A,Vol.12.No.3Sep.,1997叫5FA輯第12卷第3期1997年9月跌坎下游流場(chǎng)的時(shí)均流速分布和脈動(dòng)特性圭液，李丹勛V曲兆松安鳳玲1清華大學(xué)水利天畝工程系，北京100084）摘旻本文采用顆檢示蹤的方法試驗(yàn)研究了趺坎下游主流重新接觸床面流區(qū)的時(shí)均流速分布，流速的脈動(dòng)強(qiáng)度及各點(diǎn)昧動(dòng)流速的概率密度分布，試驗(yàn)結(jié)果表明，跌坎下游水流分離，具有穩(wěn)定的漩渴發(fā)展,漩漏產(chǎn)生的頻率約為呼2秒3次。重新接觸點(diǎn)離跌坎的距離約在36倍坎高之間.在主流重新接觸床面的流區(qū)，素動(dòng)郭切應(yīng)力最大，在量測(cè)的流區(qū),豚動(dòng)流速的概率密度接近正態(tài)分布。關(guān)詢

2、取口主理，竺埋在水利.工程中,跌水是一種常見(jiàn)的水流現(xiàn)象，如堰閘出流、河網(wǎng)交汲、江河匯流及入海等都會(huì)產(chǎn)生跌坎水流。由于跌坎下游的水流分離，主流在下游一定距離重新接觸床面，對(duì)局部河床將產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷。為了保持河床穩(wěn)定和水利工程的安全，需要采取一些工程措施保護(hù)跌坎下游的床面。所以對(duì)跌坎下游床面顆粒的受力特性及主流重新接觸床面流區(qū)的水流條件進(jìn)行研究是有實(shí)際意義的。王興奎等人曾對(duì)跌坎下游床面顆粒的受力特性進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究，得出了顆粒上舉力系數(shù)的變化規(guī)律及上舉力的概率密度分布等統(tǒng)計(jì)參數(shù)OChiangShih試驗(yàn)研究了跌坎下游回流的三維特性，得出主流重新接觸床面點(diǎn)離跌坎的平均距離為跌坎高度的4.3倍。流場(chǎng)量測(cè)儀

3、器和技術(shù)的開發(fā)一直是試驗(yàn)流體力學(xué)的重要組成部分，顆粒示蹤測(cè)速（ParticleImageVelocimetry）技術(shù)就是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)技術(shù)，花流場(chǎng)髭測(cè)中取得了很大的進(jìn)展,陳景仁對(duì)80年代以前的研究成果作,了系統(tǒng)的介紹和評(píng)述°、李玉梁等人對(duì)近年來(lái)用圖像處理技術(shù)測(cè)量流場(chǎng)物理量的研究亦作較全面的介紹在圖像處理軟件鬲開發(fā)方面,L.Lourenco的研究成果處于這一領(lǐng)域的前沿?，F(xiàn)有的圖像獲取和處理大致有三類方法：（1）用高清晰度照相機(jī)拍攝照片，再用高分辨率的掃描儀將底片的圖像數(shù)字化后進(jìn)行分析:叫（2）用攝像機(jī)錄取圖像，通過(guò)圖像卡進(jìn)行分析（3）隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展.一些

4、學(xué)者開始采用在線實(shí)時(shí)采集系統(tǒng),將帶內(nèi)存的數(shù)字式照相機(jī)直接和計(jì)算機(jī)聯(lián)接.將圖像在計(jì)算機(jī)的屏幕上顯示，并將有用的信號(hào)存入計(jì)算機(jī)叱°本文于1996年7月22日收到.國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目.2試驗(yàn)設(shè)備和過(guò)程試驗(yàn)和基本數(shù)據(jù)的處理在美國(guó)弗羅里達(dá)洲立大學(xué)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)是在一個(gè)長(zhǎng)3、4米、高0.6米、寬0.5米的玻璃水箱中進(jìn)行，水箱上部裝有無(wú)級(jí)調(diào)速牽引架，用其帶動(dòng)固定試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、攝像系統(tǒng)和反光鏡面的三個(gè)平臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)由牽引架牽引以使三部分同步運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜袡C(jī)玻璃制成，坎高0.95cme采用18瓦氯粒子激光器作照明光源。反光鏡由24個(gè)鏡面組成一個(gè)棱柱形,當(dāng)其旋轉(zhuǎn)時(shí)可提供各種疏率的脈沖光源。

5、示蹤顆粒為鍍銀空心玻璃球，直徑0,01mm.比重1.4。圖像采集采用高分辨率的照相機(jī)每秒鐘拍6幅圖像采用光學(xué)掃描儀將照片的底片數(shù)字化,分辨率為每英t1800點(diǎn).每點(diǎn)的灰度分成256個(gè)等級(jí)，用FFT計(jì)算30、66（高用寬）矩形點(diǎn)破陣的自相關(guān)以確定該矩形框內(nèi)的平均速度。在水箱中的清水中加入示蹤玻璃球攪拌均勻，待其靜止后開始進(jìn)行試驗(yàn)，牽引架由計(jì)算機(jī)控制的無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)，以10.85cm/s的速度向前運(yùn)動(dòng)，等流場(chǎng)發(fā)展穩(wěn)定后開始照相，每秒鐘6幅.每幅曝光4次，由棱柱鏡面的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)每次曝光間隔，試驗(yàn)采用2、22ms,一組試驗(yàn)拍6秒鐘。3時(shí)均流場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)資料的幾何尺度用坎高無(wú)量綱化,縱向?yàn)槎?，垂向?yàn)?/p>

6、"流速用外流場(chǎng)的均勾速度（即牽引架的運(yùn)動(dòng)速度）無(wú)量綱化，無(wú)量綱的縱、垂向流速分別用表示。3.1流速場(chǎng)和渦場(chǎng)圖1為連續(xù)瞬時(shí)的流線圖，每圖之間的時(shí)間為1/6秒，圖幅的時(shí)間順序從上到下。從圖中可以看出,水流在坎下分離后產(chǎn)生漩渦，并比較穩(wěn)定地向下游運(yùn)動(dòng)，在一定距離后，其后又產(chǎn)生新的漩渦。漩渦中心的高度隨距離逐漸降低，直至分離流逐漸重新接觸床面，漩渦亦將因猝發(fā)而崩解。圖2為與流線圖對(duì)應(yīng)的渦覺(jué)圖，渦雖定義為：圖中實(shí)線為正的渦最值。虛線為負(fù)的渦危值，從圖中可以看出，在漩渦中心區(qū).渦危值很大，說(shuō)明漩渦很強(qiáng)，其變化趨勢(shì)與流線圖中漩渦的變化趨勢(shì)是一致的。在接近跌坎的近壁流區(qū),渦量為負(fù)值，從流線圖中可以看

7、出，這一流區(qū)存在明顯的回流。*圖3為圖1中近壁流區(qū)的縱向流速隨時(shí)間的變化，橫線以上為正，橫線以下為負(fù)，兩橫線之間無(wú)量綱流速的單位為L(zhǎng)定義縱向流速?gòu)呢?fù)值到正值的交點(diǎn)為主流重新接觸床面的點(diǎn),其離跌坎的相對(duì)距離用T,表示,則從圖中可以依次得出各瞬時(shí)流場(chǎng)的C值。從圖中可以看出7；值隨時(shí)間逐漸加大，說(shuō)明隨著漩渦向下游運(yùn)動(dòng)，重新接觸床面點(diǎn)的位置也向下推移（見(jiàn)圖中上面4條線）。但到一定的時(shí)候，在其上游又會(huì)產(chǎn)生新的重新接觸床面的點(diǎn)，并再一次向下游推移（見(jiàn)圖中下面3條線）。從圖3可確定7，隨時(shí)間的變化。用主流第一次接觸床面的點(diǎn)為重新接觸點(diǎn)，其離跌坎的相對(duì)距離用X,表示，如圖4中實(shí)線所示。橫坐標(biāo)T.的單位為每幅圖

8、的時(shí)間間隔，即1/6秒。圖1流線圖隨時(shí)間的變化圖2渦量隨時(shí)間的變化（時(shí)間順序從上到下）Ti圖4的圓圈表示漩渦中心離跌坎的相對(duì)距離X,隨時(shí)間的變化。從圖中可以更清晰地看出漩渦中心點(diǎn)和重新接觸點(diǎn)的變化規(guī)律及它們的相對(duì)關(guān)系。漩渦中心點(diǎn)的位置不斷向下游推移,其后一定的距離又會(huì)產(chǎn)生新的漩渦，即在圖1中同一圖內(nèi)可以看到兩個(gè)漩渦.漩渦產(chǎn)生的頻率約為每2秒3次。重新接觸的位置一般在第二個(gè)漩渦的下游，但如兩個(gè)漩渦的間距較大.重新接觸點(diǎn)的位置也可能在第一個(gè)漩渦的下游，離跌坎的距離X,a36，這與ChiangShih的試驗(yàn)結(jié)果為同一范圍，重新接觸點(diǎn)的變化規(guī)律與漩渦中心點(diǎn)的變化密切相關(guān)，當(dāng)漩渦中心點(diǎn)的位置向下游推移時(shí)

9、,重新接觸點(diǎn)的位置也隨之往下推移,離跌坎的距離亦不斷增加但到一定的時(shí)刻，漩渦突然崩解或因前一漩渦的加速而使兩個(gè)漩渦之間的距離加大,重新接觸點(diǎn)會(huì)突然移到距跌坎較近的地方。這樣變化的頻率大約為每2秒3次。圖5兩個(gè)漩禍之間的距離應(yīng)隨離跌坎距噩的變化圖5、為同一圖中的兩個(gè)漩渦之間的距離D,隨第一個(gè)漩渦離跌坎距離Tq的變化。從圖中可以看出，當(dāng)丁”<4.5時(shí).D,仁2.1,即大致在重新接觸點(diǎn)以前，Dx基本保持不變，當(dāng)T,】>4.5時(shí)隨7”的增加而加大,這說(shuō)明在主流重新接觸點(diǎn)以后，下部流區(qū)存在加速運(yùn)動(dòng)，處于下游的漩渦的運(yùn)動(dòng)速度比上游的要快一些。3.2時(shí)均流速分布圖6中的U、V分別為縱、垂向無(wú)量綱

10、的時(shí)均流速分布，括號(hào)中的數(shù)字表示該物理量在兩格Tx圖6縱垂向的時(shí)均流速分布理鼠在兩格之間的單位距離所代表的數(shù)值，如0.2表示一格長(zhǎng)度為0.2。與流線圖相對(duì)應(yīng)，右上方的主流為向右下流動(dòng)，而左下方則存在回流和向上的流動(dòng)，表明其時(shí)均值存在一順時(shí)針的回流。從。的分布圖可以看出，大約在丁,=5.5時(shí)，主流重新接觸床面。最大縱向流速約等于1.即接近于外流場(chǎng)的速度，最大垂向流速約為0.1。4脈動(dòng)流速的統(tǒng)計(jì)參數(shù)4.1脈動(dòng)強(qiáng)度與剪切應(yīng)力縱、垂向的脈動(dòng)流速為：uU（I）UvV（X）V（2）.式中U（Q、V為瞬時(shí)流速?？v、垂向的脈動(dòng)強(qiáng)度分別為/、":.舄（U.）一uyIV（v（n-v）2,.“'=

11、J”=JN（3）圖7為/以的分布圖，從圖中可以看出，除縱向涎速分布的第一條線存在量測(cè)誤差外,縱、垂向脈動(dòng)流速的最大強(qiáng)度大約為o.10.2,比一般兩渠水流要大一些，這表明跌坎下游產(chǎn)生的漩渦將增加素動(dòng)強(qiáng)度。流場(chǎng)中的紊動(dòng)剪切應(yīng)力可表示為-=一問(wèn)，則圖7中的云具有素動(dòng)剪切應(yīng)力的意義，與圖6的時(shí)均流速分布的對(duì)比可知，在主流和回流的交界流區(qū)，素動(dòng)剪切應(yīng)力最大.最大值出現(xiàn)的范圍和重新接觸點(diǎn)的區(qū)域大致接近即對(duì)水利工程而言，這一部分河床應(yīng)加以重點(diǎn)防護(hù)。4.2度分布如紊動(dòng)流場(chǎng)為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程并滿足遍歷性的假定，則可用時(shí)間序列的實(shí)測(cè)資料計(jì)算各種紊動(dòng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，概率密度即是最重要的統(tǒng)計(jì)參數(shù)之一。將脈動(dòng)流速正則化，即“/,

12、則其概率密度分布可與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布進(jìn)行比較。圖8中的圓點(diǎn)（）為7,=0.5，=1.2.3（從左到右）的實(shí)測(cè)概率密度分布，同時(shí)用實(shí)線畫出了標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線，從圖中的對(duì)比可以看出，縱向16120.80.40.01.6120.80.4001.61.20.80.4°°2nHHdHMdvnMHHHHHHHkdHMHBrrrTTTynhMHEMyi£ttlTrJ£ux-rfH"56Tr圖7脈動(dòng)強(qiáng)度和剪切應(yīng)力的二維分布.圖§縱向（上圖）和垂向（下圖）脈動(dòng)流速的概率密度分布脈動(dòng)流速的概率密度分布"和垂向的L都接近正態(tài)分布；.5姑論.-'

13、;.*在水利工程中，因上游水位抬高而在下游形成跌水的現(xiàn)象極為常見(jiàn),所以研究跌坎F游的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及重新接觸點(diǎn)的特性具有重要的意義。本文采用顆粒示蹤的方法對(duì)這一課題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明；（1）跌坎下游水流分離，形成穩(wěn)定的漩渦.兩個(gè)漩渦的間距平均在24倍坎高之間，漩渦產(chǎn)生的頻率約為每2秒3次.（2）重新接觸點(diǎn)的位置一般在第二個(gè)漩渦的下游，離跌坎的距離約為3到6倍坎高，呈周期性地變化,其頻率大約為每2秒3次。（3）在主流重新接觸床面的流區(qū)，素動(dòng)剪切應(yīng)力最大，這一段河床應(yīng)加以重點(diǎn)防護(hù)。（4）在所測(cè)的流區(qū).脈動(dòng)流速的概率密度接近正態(tài)分布。參考文獻(xiàn)1 WangXingKui,FontijnHL.E

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18、ntalinvestigationforthispurposehasbeencarriedoutbyusingPIVtechnique.Resultsaresummarizedasfollows：(1)Theseparationofflowtakesplacejustdownstreamothebackward-facingstepandastableeddyformsandmovesdownstream.Aneweddydevelopsoonafterwards.Theaveragedistancebetweentwosequentialeddiesfallsbetween2and4timesofthesiepheight,whilethetimeintervalstaysatabout0.7second.2)Theportionofrcattachmentis.usuallydownstreamofthesecondeddy,36timesofthestepheightawayfromthestep.Reattachmentpointisperiodicallychangedatarateabout3timesevery2seconds.(3) Turbulent,shearstressreachesitspeakinthereattach