大尺度粗糙床面明渠水流结构及阻力特性研究

发布时间：2020-06-20 15:59

【摘要】：大尺度粗糙床面明渠水流在天然山区河流和河工模型试验中很常见,该水流的流速分布、紊动结构和阻力系数均异于小尺度粗糙床面明渠水流,大尺度粗糙床面水流特性研究对于山区河流开发与河工模型研究具有重要意义,但目前相关研究仍较薄弱,还有待深入,为此,本文通过水槽试验研究大尺度粗糙条件下颗粒形状、排列间距对明渠水流结构的影响以及梅花形加糙床面排列密度对明渠水流结构与阻力特性的影响,主要研究成果如下:(1)应用椭圆阈值法对基于多普勒效应测量的流速信号进行毛刺处理,采用db3小波阈值消噪法消除高频噪音,得到了高质量的流速数据。(2)各种形状的单颗粒周围水面均会形成开口向下的U形绕流波动。纵向流速平面分布在正方体和四面体周围呈椭圆形,在球体周围呈开口向上游的钟形。流速较小时,纵向平均流速在各垂线均呈线性分布;流速较大时,正方体颗粒下游纵向平均流速垂线分布先呈S形后呈线性分布,球体和四面体颗粒下游均呈线性分布,且3种形状下,越向下游,垂线上纵向流速分布越均匀。在低速情况下,正方体颗粒周围紊动强度垂线分布比较均匀,球体和四面体颗粒周围紊动强度从水面到槽底逐渐增大;流速较大时,紊动强度垂线均分布较为均匀。(3)横排双颗粒随着间距的增大,周围水面绕流波动形状会由1个U形变为2个U形,中垂面纵向流速垂线分布由线性分布变为均匀分布,且中垂面紊动强度变小;横排间距对纵向流速平面分布的影响在颗粒顶部以上时要比在颗粒顶部以下时大。(4)纵排双颗粒会在上部颗粒下游沿程形成多个水面起伏的U形波动;纵排间距对双颗粒上下游纵向流速垂线分布和紊动强度影响较小,纵排间距的增大会减弱颗粒间的紊动强度。(5)梅花形加糙床面排列密度的增大会减弱水面波状起伏的波幅;纵向流速的纵向梯度与Fr正相关与散粒体排列密度负相关;纵向流速垂线分布为线性分布;紊动强度和紊动切应力在颗粒顶部以上区域服从线性分布,3个方向脉动流速的均方根比较接近。(6)基于本文水流阻力试验资料,修正了Stefano Pagliara公式,得到新的大尺度粗糙床面水流阻力系数计算公式。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV133
【图文】：

大尺度粗糙

图 1.1 典型大尺度粗糙床面因此，研究大尺度粗糙床面明渠水流结构及阻力特性很重要。清楚得了解到大尺度粗糙床面明渠水流结构和阻力特性，就可以更好得判断河道当中大尺度粗糙元素对周围的水流的影响，为航道整治工程提供帮助；同时，在了解到大尺度粗糙元素与水流的相互作用时，可以更好地在河工模型当中选择合适的加糙物的尺寸及加糙方式。目前，国内外对大尺度粗糙下的微观水流特性研究较少，且研究多集中于宏观角度，如 Moss[2]对考虑大尺度颗粒遮蔽度的输沙率的研究；Kim[3]对无粘性泥石流集群的研究；Carling[4]对卵石河床上的波状起伏现象的研究；Thomas 和 Roy[5]就卵石集群对紊流结构影响的研究等，这些都是从大尺度散粒体集群对水流的影响进行研究，而从单颗散粒体角度对大尺度粗糙床面明渠水流结构及阻力特性的研究很少。因此，本文要从单颗粒的角度，研究在大尺度粗糙的条件下，不同形状的散粒体对周围水流结构的影响，不同横排间距和纵排间距对水流结构的影响，不同

粗糙元,几何关系,水深

图 1.2 粗糙元素各水深几何关系，针对大尺度粗糙的流速分布研究较少，中小尺度粗糙床面的流速一些研究。在粗糙床面，由于粗糙元素的影响，在断面上有很强的近床底处垂向流速梯度较光滑床底的流速梯度要大[12]。加糙区垂向复杂且随水深的增大而增大，高阶流速分量需要更长的时间来调整的流速呈对数分布，对于均匀流，垂线流速分布可用一个对数分布T 0*2.3log Buy yu Δ+= +κ向流速（m/s）；摩阻流速（m/s）；门常数，一般取κ=0.4；从粗糙顶部到测点的距离(m)；

【参考文献】