丁坝回流区水流紊动强度试验
山区河流双丁坝流速分布试验研究
山区河流双丁坝流速分布试验研究杨渠锋【摘要】双丁坝的布置会直接影响整治工程，对河床演变产生重要的影响，选择较优的丁坝布置形式具有实际工程意义。
通过水槽模型概化试验，测得不同工况下双丁坝周围流速的分布情况，并绘制不同条件下双丁坝周围流速分布图，结合理论分析，得到了流量、坝间距、坝长、坝头形式组合等因素对双丁坝周围流速的影响规律。
【期刊名称】《交通科技》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】4页(P203-206)【关键词】模型试验;双丁坝;流速分布【作者】杨渠锋【作者单位】贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 550081【正文语种】中文丁坝具有束水归槽，守护岸堤并改善航道条件的作用[1]。
丁坝的修建改变了水体的水流特性，坝体周围流速会发生明显的变化，常福田等[2]通过模型试验对槽内布设丁坝后的水流流速沿程变化规律的对比分析，提出了丁坝群坝间距的最佳布置原则，并由此推导得出丁坝坝间距布置的关系式。
张可[3]利用物模试验发现了不同结构形式丁坝对其坝体周围流速的影响规律。
陈稚聪、黑鹏飞等[4-5]通过概化水槽试验，把丁坝回流区沿横向划分为负流速区、正流速区和主流区3个区域，沿纵向划分为回流减流区与回流增流区2个区域，并对回流尺度、回流流量沿纵向的变化规律进行了研究。
不难看出，当前大部分学者的研究重点着眼于单个丁坝周围的流速分布规律，对双丁坝的流速分布研究还比较少，而在长江上游有比较多的航道整治工程现已采用了双丁坝的结构型式，典型的工程，如金钟碛、小米滩、关刀碛等。
本文利用物模试验与理论相结合，从流量、坝间距与坝长出发，研究不同工况下双丁坝对水体流速的变化规律，以期对山区河流工程中坝体选取、布置，以及更好地发挥双丁坝的作用有一定的参考价值。
1.1 试验设备试验在长、宽、高分别为30，2，1 m矩形水槽中进行。
进口流量由DCMS流量控制系统控制，上丁坝坝前水位通过水位测针来控制，实时水位通过超声自动水位测量系统量测。
丁坝附近水流动能分布研究
扰动 影 响 ，局 部 水 流产 生 漩 涡 和分 离 ，坝 头 和 坝 顶 区域 的水 流都 将 出现分 离 和 旋转 ｌ２ 因此 ，丁 ｌ１ ＿。
坝附 近 的局 部 流 态 非 常复 杂 ，呈现 出强 烈 的 三 维 紊 流 特 性 ，其 中包 含 了许 多 复杂 的水 流 现 象 ，如 分 离 流 、旋 转 流 、曲线 剪 切层 、高 紊 流 的 紊
中图 分 类号 ：Ｔ ４ Ｖ １２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ － ９ ２２ ０） １０ ７— ５ ０ ２－ ７ （ ７１－ ０ ５ ０ ４ ０
Ｄｉｔ ｉ ｔｏ ｆ ｓ ｒｂｕ ｉ ｎ ｏ ｓ ｔｏ ｎ ｔｃＥｎ ｒ ｙ ｏ ｏ Ａｒ ｕ ｄ ｐｕ ｋ Ｐｕｌａ ｉ ｎ Ｋｉ ｅ ｉ ｅ ｇ ｆ Ｆｌ ｗ ｏ ｎ Ｓ ｒＤｉ ｅ
３ ｈｎｊ ｎ ｌ ｎ ｇＤ ｓ ｎ ｎ ｅｅｃ ｓｔｔｏ Ｗａ ｒａ ，Ｗｕ ａ ３ ０ １ ｈ ａ ， ａ ｇａ ｇ ａ ｉ ， ｅｉ ｄＲ ｓａｈ ｎｔｕｅ ｆ ｔ ｙ Ｃ ｉ Ｐｎｎ ｇａ Ｉ ｉ ｅ ｗ ｈｎ４ ０ １ ，Ｃ ｉ ） ｎ
Ａ ｂｓｒ ｃ ： Ｗ ｉ ｈ ｉ ｆ ｄ ｌ ｘ ｅｉ ｎ ｎ ｈ ｏ ｇ ｅ ｒｔ ａ ｎ ｌｓｓ ｔｒ ｕｅ ｔ ｈ ｒｃｅ ｓｉｓｏ ｔａ ｔ ｔ ｔｅａｄ ｏ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｄ ｔｒｕ ｈ ｔ ｏｅｉ ｌ ａｙ ｉ， ｕ ｂ ｌｎ ａａ ｔｒ ｔ ｆ ｈ ｍｏ ｅ ａ ｈ ｃ ａ ｃ ｉ ｃ
高桂景 ・ ，王平 义 ２ ，杨成渝 ２ ，刘怀汉 ，
（． 庆 市港航 管理 局 ． 庆 ４ ０ ２ ；２重 庆 交通 大 学河 海 学 院 ，重 庆 ４ ０ ７ ； １ 重 重 ０００ ． ０ ０ ４ ３长 江航 道 规 划 设 计研 究 院 。湖 北 武汉 ４ ０ １） ． ３０ １
丁坝水流特性研究进展
第17卷 第8期 中 国 水 运 Vol.17 No.8 2017年 8月 China Water Transport August 2017收稿日期：2017-06-05作者简介：李晓玲（1966-），女，重庆交通大学西科所，公共管理硕士，馆员，主要从事水利水运科技文献情报分析与管理。
基金项目：国家自然科学基金项目（51079165），国家重点研发计划项目（2016YFC0402106-02）丁坝水流特性研究进展李晓玲1，张晴晴2（1．重庆交通大学西科所，重庆 400016；2．重庆交通大学河海学院，重庆 400074）摘 要：丁坝作为航道整治的建筑物，在航道整治工程中被广泛地使用。
本文从物理模型试验、数值模拟等方面，对丁坝水流特性（主要包括自由水面线、丁坝附近流场和紊动场等）的国内外研究现状进行了综合论述，给出了未来研究的重点和发展方向，对更好地开展丁坝水流特性的研究具有重要的指导意义。
关键词：丁坝；水力学；物理模型；数值模拟中图分类号：TV13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）08-0261-04丁坝是一种最常用的航道整治建筑物，它兼有导流、护岸、调整水深等众多功能，在山区河流的急滩险滩治理中，我们用它来调整流向，雍高水位，调整流态以及束窄河床等，在平原河流中，我们用它来固定边滩或者通过丁坝来冲刷浅滩，有时也会用丁坝群作为护岸，所以可以发现丁坝在航道整治工程中得到了广泛应用，因而为了能够更大地降低工程造价，更加充分地发挥其作用，对其水流特性的研究也就具有着十分重要的意义。
在河段修建丁坝以后，上游水位雍高，这样就提高了航道的水深，有利于船只顺利通过。
水流过了丁坝后，由于惯性流速会继续变大，但下游水位将会降低，水流逐渐扩散和下游水流衔接，恢复天然河流状态。
河道中修建丁坝使丁坝周围的水流结构发生了变化，出现明显的紊动现象，使得丁坝附近的水流呈现强烈的三维紊流特性。
目前，关于丁坝水流特性的研究主要包括了自由水面线、丁坝附近流场和紊动场等三个方面。
不同结构形式丁坝水毁过程分析
不同结构形式丁坝水毁过程分析苏伟;王平义;喻涛;门永强【摘要】通过水槽概化模型试验对不同坝型、坝长和挑角丁坝的水毁过程进行对比分析,找出冲刷坑深随时间变化的规律,观测到不同结构形式丁坝对河床冲刷地形的影响.在此基础上,对比分析不同的坝型的试验数据,提出具有较好稳定性的新型坝身横断面结构形式,并且深入研究丁坝不同坝长、挑角下河床冲刷及丁坝水毁机理.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】6页(P118-123)【关键词】丁坝;水流;结构形式;水毁;过程【作者】苏伟;王平义;喻涛;门永强【作者单位】重庆交通大学河海学院,重庆400074;重庆交通大学河海学院,重庆400074;重庆交通大学河海学院,重庆400074;重庆交通大学河海学院,重庆400074【正文语种】中文【中图分类】U656.35+2在航道整治工程中，丁坝是最常见的建筑物之一。
对于布置在沙卵石浅滩上的丁坝，由于基础没有经过处理，当遇到洪峰或者库流下泄时，水流对丁坝就会产生巨大的冲击作用，在水流的这种作用下，丁坝就会产生不同程度的水毁[1-2]。
经过长时间的探索和研究发现，不同结构形式的丁坝受到水流作用后产生的破坏是不同的。
找到一种优良的结构形式迫在眉睫，但是目前对这一问题的研究甚少。
为了能够找到这种优良的结构形式，就得深入了解不同结构形式丁坝的水毁过程，对比分析不同结构形式丁坝开始破坏的时间、位置以及丁坝随时间推移破坏程度的变化，掌握不同形式丁坝的破坏机理和相关数据，最终确定较优的丁坝结构形式。
因此，对不同结构形式丁坝水毁过程进行研究分析非常必要。
1 模型的建立和试验工况的拟定试验在重庆交通大学水利水运工程重庆市重点实验室航道试验厅长30 m，宽2 m 的矩形玻璃水槽中进行。
进口流量由电磁流量系统控制, 尾门由翻板门结合小水阀控制水位。
丁坝布置在水槽的左岸，丁坝坝体采用散抛石坝，丁坝横断面采用梯形断面和圆弧断面, 梯形断面迎水坡坡度为1∶1.5，背水坡坡度为1∶2，向河坡为1∶5，坡面采用圆弧形, 坝顶顶宽为7.5 cm，坝高10 cm。
丁坝对弯道水流特性影响的水槽试验和数值模拟研究
丁坝对弯道水流特性影响的水槽试验和数值模拟研究本文采用物理模型试验与数值模拟计算相结合的方法,研究了丁坝附近水流特性及其对弯道水流的影响。
在物理模型试验部分,通过自动水位测量系统和流速测量系统对丁坝附近及弯道的水位、流速进行了测量,并利用测量结果对沿程水位变化、流速分布、回流区长度及紊动能变化等规律进行了研究;在数值模拟计算部分,通过Mike21软件建立了与物理模型相同尺寸的二维水流数值模型,用实验结果对模型进行了验证,并利用此模型对丁坝附近的水位变化、流速分布及回流区长度变化等规律作了进一步的分析。
物理模型试验结果表明:(1)各种工况下的丁坝侧沿程水位均高于丁坝对岸侧沿程水位,且水流经过弯道后,两侧水位才开始恢复至正常水位。
(2)丁坝与弯道进口距离一定,流量不同时:(1)流量越大,同侧沿程最高水位越大,沿程最大横比降越大;丁坝距弯道45cm时,纵比降随进口流量的增大而减小,丁坝距弯道55cm时,纵比降随进口流量的增大而增大。
(2)丁坝与弯道距离较近时,相对回流区长度随流量的增加呈先减小后增大趋势;丁坝与弯道距离较远时,相对回流区长度随流量的增加呈先增大后减小趋势。
(3)丁坝坝头、下游及水槽中间区域的紊动能最大值分布区域均随着流量的增大而增大。
(3)流量一定,丁坝与弯道进口距离不同时:(1)丁坝距弯道越近,同侧沿程最高水位越大,沿程最大横比降越小;丁坝距弯道45cm时,丁坝侧最大纵比降低于丁坝对岸侧最大纵比降,丁坝距弯道55cm时,丁坝侧最大纵比降高于丁坝对岸侧最大纵比降。
(2)随着丁坝与弯道进口距离的变化,在直道中,距丁坝侧边壁较近的纵向流速变化规律均是先减小后增大,距丁坝侧边壁较远的纵向流速变化规律均是先增大后减小再趋于平缓。
(3)当流量较小时,丁坝与弯道进口距离越近,相对回流区长度越长。
(4)随着丁坝与弯道进口距离的增加,紊动能最大值的分布区域有所减小。
数学模型计算结果表明:(1)当丁坝与弯道进口距离一定时,随着流量的增大:(1)丁坝近区水位沿程逐渐上升,坝前的壅水高度与坝后的跌水深度均有所增加,且跌水深度大于壅水高度;丁坝近区沿程各断面横比降呈递增趋势。
丁坝附近湍流的数值模拟
摘
要 ：以三维水 流运动 方程 为水流控 制方程 ， 用 Ｒ Ｇ 一ｓ模 型来处理紊动项 ， 采 Ｎ 建立 了模 拟丁坝绕流 的湍流模 型， 并
行 了 比较 分 析 。
１３ ；。：ｃ 一 ．９Ｇ
； ＝１４ ； Ｃ ．２
＝１６ ； ＝ ．８叼
１ 数学模型
１１ ． 控 制 万 程
（ × ）÷其 ： （ ）。４７ 和 ２ ， ＋ｉ ＝３； 中 １ Ｏ； ． ｘ叩 ７
分别为 与湍动能 ｋ和耗散率 对应的 Ｐａ ｄｌ 。 ｒｎ ｔ数
为控制方程 ， 拟 了不 同量 级 下不 同 长度 正交 丁 坝 的局部 流 模 场； 杨元平 通过沿 水深 方 向积分 的平 面二 维水 流运 动方 程 组 ， 导出 了透水 丁坝 坝 后 的 回流 区长 度计 算 公 式 ； 云 峰 推 夏 等 利用沿水 深平 均的 ｋ—ｓ模 型 ， 首次将地 形反 映法 用于 丁 坝 的模拟 ， 并较好地反映 了坝前 壅水 现象和过 坝水流水 面线 的 变化 ； 周宜林 通过 大涡数 值模 拟 研究 了 丁坝 附近 的水 流特 性 ； 静等 将非线性紊流模型用 于丁 坝的水 流模拟 ， 与线 彭 并 性模型进行 了比较 。 研究表 明， 标准 ｋ— 模型 在模 拟障碍物绕
Ｅ ｍａ ： ｈ ｎ ｚｚ ｏ ｇ ８ １ ６ ｅ Ｉ — ｉ ｚ ａ ｇｅ ｈ ｎ ７ ＠ ２ ． Ｏ ｌ ｌ Ｉ
维普资讯
（ ）为 动 量 方 程 。 ４
（ ４ ）
式 中 ： 、， ｕｖ ｗ分别为 ｘ ｙ ， 和 方 向的流速分量 ； ｐ为动水压强 ； ｐ为 水 的密度 ； 为紊动黏性系数 。 （ ）为连续方程 ； （ ） ～式 ｙ 式 １ 式 ２
丁坝周围床面受力的试验研究
大加 强瞬 时水 压力而导致 坝头 冲刷 和坝体破 坏 。
紊 动 水 流 的脉 动 流 速 遇 到 边 界 及 其 他 障 碍 时 ，动
能转 变 为压 能 ，这 是 水 流 产 生 压 力 脉 动 的根 本 原
Ｈ ｒｏ ａｄＮ ｖｇｔ ｎＡ ｍｎｓ ａｉ ， ｈ ｎｑｎ ０ ０ ０ Ｃ ｉａ ３ Ｃ ａ ￣ｉ ｇＷａｅｗ ｙＩｓ ｔｔ ｏ ｌｎ ｉ ｅｉ ａｂ ｒ ｎ ａｉａ ｏ ｄ ｉｉｒｔ ｎ Ｃ ｏｇ ｉｇ ０ ２ ， ｈｎ ； ． ｈｎ ａ ｔｒａ ｔｕｅ ｆ ａｎｎ Ｄ ｓ ｎ ｉ ｔ ｏ ４ ｎ ｎｉ Ｐ ｇ ｇ ａｄＲ ｓａｃ ， ｈ ｎ４ ０ １， ｈｎ） ｎ ｅｅｒｈ Ｗｕ ａ ３ ０ Ｃ ｉａ １
ａ ａｙ ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ．
Ｋ ｅ ｒ ｓ ｐ ｒｄｋ ； ｇｏ ｓｄ ｎ ｍｉ ｙ ｒｕ ｉ ｒ ｓｕ ｅ ｆ ｃｕ ｔ ｎｐ ｅ ｓ ｒ ； ｉｏｉ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ：ｓ ｕ ｉｅ ｒｓ ｙ ａ ｃｈ ｄ ａ ｌｃｐ ｅｓ ｒ ； ｌ ｔａｉ ｒｓｕ ｅ ｓｌ ｕ ｏ ｎ
Ｄｉｔ ｉ ｕｔｏ ｄ ｓ ｉ ｉ ｒ ａ ｆｐｒ ｓ ｕｒ ｎ ｒ ｖ ｒ ｂ ｄ ｎｅ ｒ ｔ ｅ ｓ ｓ ｒ ｂ ｉ ｎ ｉ ｃｐｌ ｎａ ｉ ｎ ｏ ｅ ｓ ｅ ｏ ｉ ｅ ｅ ａ ｈ ｐｕｒ ｄ ｋｅ ｉ
ＷＡ Ｇ Ｐｎ－ ｉ Ｎ ｉｇ ｙ ，Ｇ ＯＧ ｉｊ ｇ，ＬＵ Ｈ ａ－ ａ Ａ ｕ－ｉ ２ Ｉ ｕ ｉｈｎ ｎ
丁坝回流区试验实验报告(河海港航)
丁坝回流区试验实验报告一、实验目的通过实验研究丁坝附近的水位、水流特性，加深对丁坝在航道整治中的作用的理解。
二、实验内容1、观测和记录一种丁坝长度、丁坝高度在某一水流强度情况下的丁坝附近水位、水流、回流区流态和范围；2、改变丁坝长度几个组次，观察回流区流态和范围。
三、实验设备丁坝回流区试验主要在综合试验水槽顺直段进行。
主要实验设备及仪器包括试验水槽、丁坝模型、水尺、旋浆式流速仪、采点箱。
水槽断面宽1.2m，高0.4m，纵向长16.6m，设有直线段10m和弯曲段6.6m，弯曲段中轴线弯曲半径为3m。
丁坝模型采用混凝土制成，高20cm，坝体长度分别为30cm和50cm。
实验用品主要包括木砂（跟踪剂）。
三、实验原理丁坝是航道整治工程中最常用的建筑物。
丁坝的坝根与河岸连接，坝头伸向河心，在平面上与河岸构成丁字形。
当水位低于丁坝坝顶高程时，水流受到丁坝雍阻，迫使水流流向河心，绕过坝头下泄，在坝下游形成回流区。
不同的丁坝布置形式，下游所形成的回流区范围是不同的，并直接影响到整治工程中丁坝间距的布置。
所以，丁坝回流区范围、回流区形态变化及其回流强度大小，是航道整治工程中需要密切关注和研究的问题。
本实验是在“水流流速场试验”完成之后，在顺直段断面2和断面3之间放置一个丁坝模型，其测流断面和测流垂线的位置均和“水流流速场试验”一样，即顺直段各断面距进口的距离分别为178.6cm、294cm、584cm、850cm；中间的那个测流垂线(垂线3)位于水槽中轴线上，两边的测流垂线（垂线1和垂线2）分别距水槽右侧、左侧21.5cm。
分别测得各断面、各条测流垂线上相对水深为0.4h、0.6h 和0.8h处的流速和水槽左右侧的水位，即可研究丁坝附近水位、水流特征。
四、实验步骤1、阅读和掌握实验目的、实验要求以及实验内容；2、熟悉和掌握旋浆式流速仪的使用原理与操作方法；3、开启水泵，调节水槽尾门，保持沿程水流恒定状态；4、放置丁坝，待水流稳定后，采用木砂示踪剂观测流线、回水区域；5、在丁坝前后测流断面上沿水槽宽度设置3个测流垂线，每条垂线沿水深测量和记录3点流速；并测量各断面左右侧的水位；6、改变丁坝长度几个组次，观察回流区流态和范围；7、计算整理试验结果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2008年第48卷第12期2008,V o l.48,N o.127/312053-2056丁坝回流区水流紊动强度试验陈稚聪, 黑鹏飞, 丁 翔(清华大学水利水电工程系,北京100084)收稿日期:2007-09-28基金项目:国家“十一五”规划科技支撑项目(2006BAB05B02)作者简介:陈稚聪(1945—),女(汉),四川,教授。
E -mail :chenzh c @tsingh ua .edu .cn摘 要:丁坝是一种河道整治及护岸工程的设施。
为研究丁坝回流区水流的脉动特性和冲刷机理,对玻璃水槽内丁坝回流区水流进行了测量。
用三维激光颗粒动态分析仪(3D-PD A )测量三维脉动流速。
分析了丁坝后3个流区(主流区、回流正流速区和回流负流速区)的紊动强度。
结果表明:丁坝后回流区纵向紊动强度明显增强,且回流正流区大于回流负流区。
主流区、回流正流速区和回流负流速区的3个流区纵向紊动强度均以对数形式沿程减弱,至回流结束一段距离后恢复到无丁坝状态。
关键词:丁坝;水槽试验;回流;紊动强度中图分类号:T V 131.2+1文献标识码:A文章编号:1000-0054(2008)12-2053-04Turbulence intensity measurements in thebackflow region around a spur dikeCHEN Zhicong ,HE I Pengfei ,DING Xiang(Department of Hydraulic Engineering ,T s inghua University ,Beij ing 100084,China )Abstract :S pur d ikes are bu ilt to protect banks and improve ch ann els.T he tur bulence characteris tics of th e backflow region ar ou nd a s pur dike w ere measur ed in a glass tank to better analyze the scour ing and sedimentation mech anics.A 3-D dynamic particle an alyzer was used to measu re the turbu len ce intens ities in three sub -regions ,th e reverse-velocity b ackflow region,the positive-velocity backflow reg ion an d the main flow region.T he results sh ow that the turbulence intens ity is greatly streng th ened by the spur dike,particularly in the positive-velocity region with lesseffect in the main flow region.T he turbulence in tens ity then logarithmically d ecays w ith distance from the spu r dik e.Key words :s pur dik es ;glass tan k tests;backflow ;turbu len ceintensity丁坝是河道整治及护岸工程中一种重要的工程措施[1-2]。
研究丁坝回流区水流的脉动特性,对进一步研究回流区水流挟沙力与局部冲刷机理意义重大。
国内外不同学者或采用物理模型[3-4],或采用数学模型[5-6]作了大量研究。
但是,对于丁坝回流区脉动机理的研究,目前还远未完善。
本文利用三维激光颗粒动态分析仪(3D-PDA )系统,在室内实验水槽对丁坝回流区进行了流速场测量,研究了丁坝回流各流区三维脉动强度的变化规律。
1 试验简介1.1 测量仪器采用荷兰DANT EC 公司生产的三维激光颗粒动态分析仪(3D-PDA )。
系统包括:激光光源、传输光路系统、接收光路系统、信号处理器、计算机、三维自动坐标架。
根据水槽试验条件,示踪粒子选用聚苯乙烯,密度为1.04kg /dm 3,粒径为10～40 m 。
1.2 试验水槽系统实验玻璃水槽如图1所示。
水槽长L =4.2m ,宽B =15cm ,水位高h =5cm ,侧面和槽底都是玻璃构成,自带水箱、水泵循环供水。
激光光束可以从水槽上面、两侧、槽底入射,进行水流流速测量。
图1 试验水槽1.3 试验工况本次实验测量了丁坝后的三维流场。
实验通过改变水流流量q v 、丁坝长度b ,进行了4种工况的测量,试验组次如表1所示。
每种工况均进行了无丁坝均匀流测量,其水力比降(J )为1%。
表1 试验组次工况b /cm q v /(L s -1)17.5 2.125.0 2.13 5.0 1.547.51.52 丁坝回流区域的划分根据试验结果,将回流区划分为主流区、回流正流区和回流负流区(见图2)。
具体划分方法如下:回流发生并稳定后,存在一条A B 曲线,此线之外流区流量始终等于水槽初始流量,定义该区为主流区,该线以内的区域为回流区;在回流区正、负向流速交界处存在着一条纵向流速为零的AC 曲线,以此线为界,该线以内的区域称为负流速区,该线之外的区域称为正流速区。
正、负流区的纵向流量绝对值相等而方向相反,处于自成体系的动平衡状态。
这种用流量连续原理确定主流区范围,用流量图2 回流区平面区域划分示意图平衡方法确定回流区中负流速区和正流速区的方法,可以对回流区进行划分,为进一步分析各区的水流特性提供依据。
3 各流区三维紊动强度分布若令u 、v 、w 分别为纵向、横向及垂向脉动流速,则明渠流的紊动强度定义为:u ′=u -2, v ′=v -2, w ′=w -2,(1) Nezu 和Rodi [7]在实验的基础上得到明渠流动的纵向和垂向紊动强度分布公式:u ′/u *=D u ex p(- u z /h ),(2)v ′/u *=D v ex p(- v z /h ).(3)式中:z 为距水槽底部垂向距离,D u 、D v 为经验常数。
图3为公式(2)、(3)与无丁坝时实测紊动强度的统计平均值沿垂线分布曲线(由于受仪器限制,只测到z /h ≥0.1)。
可以看出,纵向和横向脉动强度均随z /h 增大而增大,其变化趋势与Nezu 的实验相似。
根据实验数据得出的经验系数为D u = 1.431, u=0.881;D v =1.556, v =0.128。
图3中还给出了垂向紊动强度沿水深的分布。
由图可以看出,垂向紊动强度沿水深分布几乎为常数,并接近摩阻流速。
垂向紊动强度沿水深的变化为w ′/u *≈const =D w .(4)图3 无丁坝时水流紊动强度沿垂向分布曲线 当明槽中加设丁坝(丁坝长度为水槽宽度的1/2)后,主流区、回流区的三维紊动强度均发生了明显的变化。
各区量纲一化紊动强度沿相对水深z /h 的分布如图4所示。
由图4可以看出,丁坝后回流区和主流区的紊动强度呈现出不同的特征,分述如下。
2054清华大学学报(自然科学版)2008,48(12)图4 有丁坝时主流区和回流区紊动强度沿垂向分布曲线 1)在主流区。
与无丁坝时相比,主流区水流紊动强度变化不大,而纵向紊动强度在近床面附近有所增强。
2)在回流区。
a)纵向紊动强度在垂线上均大于无丁坝时的紊动强度,垂线呈现出强烈的震荡,且沿垂线分布基本呈对称分布。
b )回流正流区和负流区的横向和垂向紊动强度基本为常数,且较无丁坝时的紊动强度略有增加。
4 纵向紊动强度变化规律4.1 纵向紊动强度沿槽宽分布由上述分析已知,与无丁坝时相比,丁坝后各流区水流紊动强度变化主要是纵向紊动强度的变化。
因此,有必要进一步分析纵向紊动强度的横向分布,以及该分布沿程的变化趋势。
图5给出5个典型断面的纵向紊动强度沿横向变化曲线,其中,u *=(ghJ )1/2=2.21cm /s,J 为水力坡降,h 为水深。
由图5可以看出,加丁坝后水流纵向紊动强度明显增强,且具有以下特征:1)丁坝回流区紊动强度增加比主流区大;2)距丁坝越近(x =140mm ),紊动强度越大,随着距离的增加,紊动强度逐渐减弱,至回流结束处(x =660mm )时,已接近无丁坝时的状态,但在x =860mm 时,紊动强度尚未完全恢复至无丁坝时的状态。
图5 纵向紊动强度u ′/u *沿横断面分布图4.2 各流区紊动强度沿程分布为分析不同流区纵向紊动强度的增加趋势,图6给出了工况2回流区u ′/u 0随x /l 的变化曲线。
其中u ′为有丁坝时纵向脉动速度;u ′0为无丁坝时脉动速度;x 为距丁坝的距离;丁坝占槽宽1/2,水深5cm ,q v =2.1L /s ;回流长度l =66.0cm 。
由图6可以看出,丁坝回流区纵向紊动强度比无丁坝时均有增加,且沿程递减。
其中主流区增加较少,到丁坝回流结束一定距离后基本上回到无丁坝水平;回流正流区增加最多,最大达无丁坝时的2.7倍,至回流结束时紊动强度仍为无丁坝时的1.66倍;回流负流速区增加规律与正流速区一致,但增2055陈稚聪,等: 丁坝回流区水流紊动强度试验幅介于回流正流区和主流区之间。
图6 丁坝回流区纵向紊动强度比u′/u′沿程变化曲线经本组实验资料回归,3个区域u′/u0随x/l变化呈如下关系:主流区,u′/u′0=-0.10ln(x/l)+ 1.13;(5) 回流正流区,u′/u′0=-0.27ln(x/l)+ 1.66, x/l≤1;(6) 回流负流区,u′/u′0=-0.14ln(x/l)+ 1.28, x/l≤1.(7) 由图6和式(5)可知,当回流结束时,主流区水流纵向紊动强度仍略大于无丁坝时,距丁坝约三倍回流长度时,主流区的脉动强度可完全恢复至无丁坝状态。
5 小 结1)丁坝下游水流三维紊动强度均比无丁坝均匀流时有所增强,其中纵向的增加远大于垂向和横向。
因此,研究丁坝下游回流区水流紊动强度变化时,应以纵向紊动强度为主。
2)回流区水流纵向紊动强度增加程度大于主流区。
在本文试验条件下,纵向最大紊动强度在主流区、回流正流区和回流负流区分别约为无丁坝时的1.6倍、2.7倍和1.9倍。
3)在丁坝下游纵向脉动强度沿程快速递减,至回流结束处,主流区、回流正流区和回流负流区纵向紊动强度已接近无丁坝状态,分别为无丁坝时的1.13、1.66和1.28倍。