基于piv实验的明渠非恒定流摩阻特性研究
第11章_明渠非恒定流
Q vwA vwB
其中， B ( B1 B2 ) / 2
22
二、动量方程
A1 P1
v1－vw A2 v2－vw P2
l
A2 (v2 vw )[(v2 vw ) (v1 vw )] F P P2 1
A2 (v2 vw )(v2 v1 ) F P P2 (11.50) 1
不可压缩流体，ρ
=const
Q=vA
(10.20)
A Q 0 t s
(11.3)
(3) Q / s 0
A / t 0 Q 沿程不变，恒定流
10
11.2 明渠非恒定渐变流的基本方程式
一、连续性方程
( A) ( vA ) 0 t s
不可压缩流体，ρ
=const
Q=vA
(10.20)
A Q 0 t s
(11.3)
A ( Av ) 0 t s
式(11-4)是明渠非 A v A A v 0 (11.4) 恒定流连续性方程 t s s 的另一种表达式
矩形断面明明渠，A=bh
h v h h v 0 t s s
(2) Q / s 0
上 a b t2 ds t1
A / t 0 Z 随 t 下降，落水波
下
a b 下
上
这说明如果流进的 流量少，流出的流 量多，微分区间内 水位将随时间而下 降，明渠中会产生 落水波。
9
11.2 明渠非恒定渐变流的基本方程式
一、连续性方程
( A) ( vA ) 0 t s
11.1 明渠非恒定流的特性及波的分类
一、特性
1、水力要素如u、Q、A、Z或h等都是时间t和 位置s的函数，它是非恒定的非均匀流动。
水力学专题 明渠非恒定流
z z z z zw zw udz vdz u w v w w u b v b w 0 z z x b y b y y x z z w x z zb
结合边界条件：
z w (hu ) (hv ) 0 t x y
三、水波的分类 明渠非恒定流是一种具有自由水面的波动 （一）按主要作用力分 重力波（gravitational wave） ：主要恢复力为重力――洪水波 表面张力波（capillary wave） ：风波成长初期的涟波 压力波（compression wave） ： （少见――水下爆破引起等） （二）按质点运动方式分 振动波：波运动时，其水质点沿封闭的轨迹运动――海洋波浪 运行波：波运动时，水质点不断行进――洪水波
u
z zw
u
v
w
z zw udz u w z x b x
dw
zb x
z zb
z zw vdz v w z y b y
v
z zw
zb y
z zb
zw
zb
w dz 0 z
w w w dx dy dz x y z
这里，我们只给出了两个方向的动量方程，z 方向的动量方程省去了。事实 上，由于垂向上的加速度和重力加速度相比可以忽略，垂向的速度 w 很小，所以
w 亦可以忽略。因此，垂向上的重力加速度和压力梯度平衡：
p g z
直接积分得： p g ( z w z )
一般地，河道中的水流均为紊流，所以要研究河流中的平均运动，就要用 雷诺时均方程，雷诺时均方程和 NS 方程相比，只是增加了紊动切应力项。 由于脉动流速在各方向上具有相同的数量级，所以雷诺应力在各方向上也 具有相同的数量级。但只是他们的梯度出现在方程中，而雷诺应力在垂向变化的 距离比纵向和横向上的小得多，故垂向上的梯度变化是最重要的。 鉴于此，描述自由表面流动的雷诺方程可简化为：
明渠非均匀流摩阻流速研究
实 验所 选用 的水位 仪式 武汉大 学泥 沙实 验 中心 自主 研制 的 ＬＨ一１型 自动水位仪 ，采样 输出频率 ５０Ｈｚ，精度在 ０．０ｌｍｍ ，
在测量 流速 的前后测量两组水位沿程水位变 化值 ，取 两次水 位测量结果 的平均值 。
三 、 实 验 结 果 分 析
１． 圣 维 南方 程 法 理 论 推 导 公 式
ｆ＝ｒｈｉ一（１一Ｆｒ ） ＿ｄｈ
（５）
式中 ， 为弗劳德 数 ，Ｆｒ＝“／，／ｇｈ。
收稿 日期 ：２０１６—０４—１４ 作者简介 ：张小峰 ，（１９６２一），男 ，浙江嵊州人 ，武汉大学水 资源 与水 电工程科 学国家重点实验室 ，教授 ，研究方向为水
力学及河流动力学 。
第 ７期
第 １６卷 第 ７期
２０１６生
７月
中 国 水 运
Ｏｈ ｉ ｎａ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ
ＶｏＩ．１６ ＪｕＩＹ
Ｎｏ．７ ２０１６
明渠非均匀流摩阻流速研究
张小峰 ，王 冠
（武汉大 学 水资源与水 电工程科 学国家重点实验 室，湖北 武汉 ４３００７２）
摘 要 ：摩 阻流速反应 了明渠流床面切应力 的大小 ，是决定紊动混合系数 的主要 因素 。确定摩 阻流速 的方法很多 ，
阻流速 的计算提供 了一种方法 。
关键 词：非均 匀流 ；圣 维南方程 ；床面切应力 ；摩阻流速
中图分类号：ＴＶ１３３．１
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１００６—７９７３（２０１６）０７—０１８６—０２
一 、 引 言 摩阻流速是一个无量纲 的参 数 ，因为其直 接反应床面切 应力 的大小 ，一般分为直接测量 和间接测量法 ，但是在实验 水槽 中直接测量法对实验精度要 求较 高 ，在天然河道 中，直 接测量局部切应力大小更是困难。Ｐｒｅｓｔｏｎ［ ｌ根据毕托管 的原 理提 出测量床面切应力的方法 ，Ｄｒｉｎｋｅｒ［ 、Ｈｅａｄ［３１和 Ｐａｔｅｌｌ４】 等先后对该方法 的精度进行 过研究。间接方法有 ：对数流速 法 ，指数流速法＿５】，紊动动能法 ＿６】，以及雷诺应力法等 。 二 、实验装置和实验方案 １． 实验 水槽 实验 分别在两个不 同坡度 的水槽 中进行 。第一 个水槽 ， 采 用混凝 土设计 的全长 ２３ｍ，宽度 ｌｍ，高度 ０．６ｍ 的顺直 型矩形水槽 ，坡度为 ｉ＝０．００３的顺坡 ，沿程为宽度不断的矩 形断面。实验 流量 出 口由水泵提供流量 ，用精度在 ０．０１Ｌ／ｓ 的 电磁流量计来显示流量 的变化 。在 玻璃水槽 中 ，进行了 同 样 的试验 研究，玻璃水槽长 ２０ｍ，宽 ０．６ｍ ，高 ０．７ｍ 的 ， 底部坡度 ｉ＝０．０００８，水槽两壁均为光滑的玻璃 ，同样 由水泵 提供 水流 ，该玻璃水槽有外置静水箱 ，保证 水流的稳定性 ， 水流进 入试验 段以后，从尾 门流 出，形成完整 的水循环系统 。 实验工况 由调节尾门的开度控制 。 ２． 实验 设 计 在混 凝 土水槽 中距离水 流 出 ＩＣｌ处 ５ｍ ，６．５ｍ ，８ｍ ， ９．５ｍ ，１ ｌｍ，１２．５ｍ 处设置一个试验断面 ，分别标记为 断 面 １ ，２ ，３ ，４ ，５ ，玻璃水槽在 距离水 流出 Ｅｌ处 ４ｍ ， ５．５ｍ ，７ｍ ，８．５ｍ 处设置一个试验断面 ，分别标记为 断面
基于PIV技术的明渠非恒定流试验系统
第28卷第2期重庆交通大学学报(自然科学版)V o.l 28 No .22009年4月J OURNA L O F C HONGQ I NG JI AOTONG UN I VER SI TY (NATURAL SC IE N CE)A pr .2009基于PI V 技术的明渠非恒定流试验系统收稿日期:2008 11 11;修订日期:2008 11 25基金项目: 十一五 国家科技支撑计划项目(2006BAB05B01)作者简介:胡 江(1977 ),男,四川绵阳人,博士,主要从事水力学及河流动力学的研究及教学工作。
胡 江,杨胜发,王 涛(重庆交通大学河海学院,重庆400074)摘要:建立了一套高精度的明渠非恒定流试验系统,通过计算机及变频器控制水泵转速产生非恒定流过程,由电磁流量计、超声水位计实时监测流量和水位变化过程,并通过PIV 流场仪进行流场测量。
该系统不但能生成连续、稳定的周期性非恒定流过程,很大程度改进了明渠非恒定流的试验手段。
关 键 词:明渠非恒定流;粒子成像速度场;试验系统中图分类号:TV 133 2 文献标志码:A 文章编号:1674 0696(2009)02 0306 04Experi m ental Syste m for Unsteady F lo w s of O pen ChannelBased on P I V TechnologyHU Jiang ,YANG Sheng fa ,WANG T ao(School o f R i ver &O cean Eng i neering ,Chongqi ng Jiao tong U niversity ,Chongqing 400074,Ch i na)Abstrac t :O ne experi m ental syste m w ith h i gh accuracy is estab lished for unsteady flows o f open channe ,l wh i ch can gene r a te conti nuousl y unsteady fl ow s through the rota ti on speed o f w ater pump controlled by compu ter and transducer T he discharge and t he chang e o fw ate r leve l are m on itored i n rea l ti m e by e l ec trom agnetic fl ow m eter and u ltrason ic w ater l eve l re corde r ;and the fl ow fie l d m easure m ent are carried out by particle i m ag i ne ve l oc ity (P I V ) It i s showed tha t the exper i m ent syste m can not only genera te unstab l e flo w s conti nuously and stab l y ,bu t a lso pro m ote the experi m entalm easures o f unstead y fl ow s o f open channe l K ey word s :unsteady flo w s of open channe;l P I V (P arti c le I m ag i ne V e locity);expe ri m en tal system1 引 言明渠非恒定流的特性一直是水力学及河流动力学普遍关心的基础问题。
PIV粒子测速技术在污水排海管道内流研究中的应用
PIV粒子测速技术在污水排海管道内流研究中的应用
吴玮
【期刊名称】《实验流体力学》
【年(卷),期】2013(027)005
【摘要】PIV粒子测速技术与其它测速技术相比,具有实时性和无干扰性的优点.本文以污水海洋排放系统内部海水入侵形成的复杂流动为例,将PIV测速技术应用于管道内部的非恒定密度分层流研究.海水入侵海洋扩散器将会大大降低污水处置效率,尤其是在早期建造的没有海水入侵防护装置的污水海洋处置工程中,这个问题显得尤为突出.本文在实验室里建造了一个简化的污水海洋排放系统模型,采用PIV粒子测速系统对排放管道内的流速场进行测量,在此基础上对排放管道海水入侵过程及其发展机制进行了分析.实验研究结果表明,排污流量是影响排放系统内部流动型式的主要因素,密度分层流交界面的卷吸和紊动掺混是排出入侵海水的主要动力,而且这两种动力在排出海水时所起的作用比重不同,主要取决于排污管道内的污水动量.
【总页数】8页(P25-32)
【作者】吴玮
【作者单位】苏州科技学院,江苏苏州 215003
【正文语种】中文
【中图分类】TV134.1
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明渠非恒定流的有关特性及应用
明渠非恒定流的有关特性及应用明渠非恒定流是水文学中的一种流水分类，用于描述在一段时间内水流变化较大，或者由于水库中存储的水量发生变化而导致流量变化明显的水系。
明渠非恒定流具有比较特殊的工程性质，因此具有许多重要的特点。
明渠非恒定流下流量变化较大，因此一般不能像恒定流一样使用相同的测量方法来获取流量数据。
为了精确测量明渠非恒定流的流量特性，通常采用汇流渠流量评估的办法，即将汇流渠的流量实测值作为明渠的输入，从而准确评估明渠的流量大小。
明渠非恒定流的流量变化较大，因此其水库的建设和管理也相对复杂。
水库的建设必须考虑到上游的水位变化情况，以便在必要时采取应急措施增加水位，以应对明渠非恒定流下水位变化带来的影响。
此外，明渠非恒定流的水量变化也可能会影响水质，因此必须考虑水质保护的因素，避免水质变差。
除了控制水质，明渠非恒定流的管理还应有效避免洪水的发生，并采取有效的应急措施以减轻洪水带来的影响。
明渠非恒定流的应用范围很广，可以将其用于水利工程、水文测量、水环境监测和水库管理等领域。
在水利工程中，明渠非恒定流可用于保障干支水量的稳定性，以及调节水位，改善水质，杜绝洪水等。
在水文测量方面，明渠非恒定流可以检测水位变化，以及测量水量变化等。
在水环境监测中，明渠非恒定流可以使用测量方法来监测水质，以及控制对水环境的危害。
在水库管理方面，明渠非恒定流可以用来计算水库的蓄水量，控制入渠流量以及洪水的发生等。
总之，明渠非恒定流是一种特殊的流水系统，具有比较特殊的工程性质，在水利工程、水文测量、水环境监测和水库管理等领域应用广泛，可以保障干支水量的稳定性，改善水质，控制水位变化，以及控制入渠流量等。
因此，妥善管理明渠非恒定流将有助于改善水系状况，保护水质，维持水资源的正常运转，以及改善水质环境。
湍流边界层均匀动量区统计分形特性的PIV实验研究
湍流边界层均匀动量区统计分形特性的PIV实验研究陈怡纯;田海平;马国祯;陈纪仲【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2024(56)1【摘要】均匀动量区(UMZs)作为动量相近的局部区域成为新的湍流拟序结构成员,研究其统计特性与变化规律、分析其成因和研究其与其他湍流结构的内在关联,是深入认识壁湍流的重要途径.通过粒子图像测速系统(PIV)测量得到了具有高时空分辨率的湍流边界层流法向流场,对UMZs分区和界面位置等进行了统计,并基于瞬态流场分析了UMZs分界线与发卡涡(包)为主的湍流结构的位置关联,结果发现:UMZs流向速度概率密度函数(PDF)和界面厚度的统计分析呈现普适的分形特性,且不受湍流/非湍流界面(TNTI)和雷诺数的影响;瞬态流场UMZs数目在湍流间歇区较大,而湍流结构发展充分、层次丰富时的瞬态流场UMZs数目却较少;壁湍流涡包结构内多个发卡涡的空间分布规律决定了UMZs的统计分形特征;在近壁UMZs分界线向湍流结构存在区域集中靠拢,在外区UMZs分界线穿越展向涡核,正向涡旋导致UMZs分界线在法向上的聚集,反向涡旋引起UMZs分界线在流向上产生分离.【总页数】11页(P34-44)【作者】陈怡纯;田海平;马国祯;陈纪仲【作者单位】太原理工大学流体力学科研创新中心;太原理工大学力学国家级实验教学示范中心【正文语种】中文【中图分类】O357【相关文献】1.湍流边界层内不同粒径颗粒行为的PIV实验研究2.正弦波沟槽对湍流边界层相干结构影响的TR-PIV实验研究3.湍流边界层等动量区演化机理的实验研究4.基于非均匀查询窗口PIV技术的湍流边界层特性实验研究5.大尺度类波形壁面湍流边界层TR-PIV实验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水力学基础课件：7第七章 明渠非恒定流
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §2 明渠非恒定流的特性
2 明渠非恒定流的特性
特性之三：明渠非恒定流中各断面的水位与流量 形成绳套形关系曲线
z z最大
Q z Q最大
z最大
O
Yangzhou Univ
Q最大 Q
O
t1 t1+△t t
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §3 明渠非恒定渐变流的圣维南方程组
运动要素随时 间缓慢地改变
近似为恒 定流
瞬时流线可近 似为平行直线
近似为均 匀流
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §2 明渠非恒定流的特性
2 明渠非恒定流的特性
特性之二：明渠非恒定流也是一种波动现象
棱柱体明渠中的洪水波运动分析
C
V
2. 波前到达，断面涨水； 波后到达，断面退水； 波峰通过，则断面上出 现最大流量值
J波前 J均匀流 J波后
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §2 明渠非恒定流的特性
2 明渠非恒定流的特性
特性之二：明渠非恒定流也是一种波动现象
棱柱体明渠中的洪水波运动分析
3. 洪水波在运动过程中 会不断地坦化或衰减
C
V
沿程各断面实测流量（水位） 过程线上的最大值沿程减小
3 明渠非恒定流的圣维南方程组
Q Q(t, L) z z(t, L)
V V (t, L)
或
h h(t, L)
方程组包括:
反映质量守恒的连续性方程式 反映能量守恒与转换定律的运动方程式
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §3 明渠非恒定渐变流的圣维南方程组