试验水槽水流紊动特性分析

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1、矩形水槽水流紊动特性分析1观测概况实验采用超声多普勒流速仪(MicroADV)在玻璃水槽中进行三维流速观测。水槽长12m、宽50cm、深50cm，最大供水流量40，水槽两侧壁为有机玻璃，在一侧壁开一标准三角堰形出水通道。水槽底部为光滑水泥抹面。水槽底坡固定。通过设在水槽进口的导叶及平水栅和尾门处的平板闸门来实现对流态的控制。试验段长约6m，测验段长约3m。观测垂线均布置在水槽的中轴线上，试验观测垂线布置见图1。各测次水流紊动观测概况见表1。每组观测数据包括测点水深、纵向流速、横向流速、垂向流速等。采样时间间隔为

2、0.02s。根据流速仪的性能，采集到的数据不是瞬时值，而是范围内多次采样的平均值。表1水槽紊动观测试验水力因子概况表观测测次编号1#-12#-11#-22#-2水温（°C）20.320.320.320.3观测时间间隔（s）0.020.020.020.02观测历时（s）300300300300水深（m）0.2550.2550.3150.315摩阻流速（m/s）0.049990.049990.055560.055563水流紊动特性分析3.1水流紊动的准周期性5各测点流速脉动过程观测资料表明，各测点流速的脉动过程线基

3、本类似，并具有大小不同的准周期。见图2、图3。图2的纵向平均流速0.201时，纵向流速0.282和0.115出现的时间间隔分别约为0.3～3s和0.5～5s。对于确定的测点，长历时观测的平均流速值出现的时间间隔最短，在平均流速值上增加或减少同样数值的流速出现的时间间隔都同样增大，且增大幅度接近。3.2脉动流速的概率分布将垂线上各点测取的、、分别进行概率统计，求出各流速区间内流速出现的频率，点绘经验概率曲线和理论正态概率曲线，见图4、图5。图中为相对水深；为垂线上的测点水深，从河底算起；为垂线水深。理论正态概率密

4、度函数计算式为：（1）式中：为瞬时流速的概率密度函数；为瞬时流速的时均值；为瞬时流速的均方差。从图4、图5可以看出，由实测资料统计的流速概率分布与理论正态计算的概率分布相比，在自由紊流区（图中Y>0.16的测点）相对比较接近，而在近壁强剪切紊流区则相对偏离较大。53.3时均流速沿垂线分布时均流速沿垂线分布如图6、7所示。可以看出，横向、垂向流速值很小，沿垂线分布很均匀，可近似用指数流速分布公式描述，因水槽有侧向出流，横向流速与垂向流速相比略小；纵向流速值最大，沿垂线分布不均匀，垂线上最大流速值不在水面，而是出现

5、在水面以下，实测流速值与指数流速分布公式、对数流速分布公式计算值均存在一定差别，与对数流速分布公式计算值的差别相对较大。指数流速分布公式为：（2）式中：为垂线上相应于水深为的点的时均流速；为垂线平均流速；为垂线水深；为系数，一般取。对数流速分布公式为：（3）式中：为摩阻流速；为糙率尺度值，一般取为床沙级配曲线中的；为校正值，是的函数，为层流层的厚度。53.4水流紊动强度脉动流速的均方根为水流紊动强度，即。紊动强度与相应时均流速的比值为紊流的相对紊动强度，即。图8、图10分别为1#-2、2#-2垂线紊动强度沿垂线

6、分布，图9、图11分别为1#-2、2#-2垂线相对紊动强度沿垂线分布。可以看出，纵向紊动强度最大，沿垂线最大值出现在近底区，向上、向下强度均减小，近底区紊动强度随水深变化梯度最大，相对水深0.2至1.0部分，紊流强度近似为线性变化；横向紊动强度沿垂线分布的形态与纵向紊动强度类似，只是数值略小；垂向紊动强度最小，沿垂线分布不均匀，近似为指数曲线沿水深分布。从图10、图11中可以看出，两观测垂线相对紊动强度沿垂线分布形态相近。两垂线纵向相对紊动强度沿垂线分布非常均匀，几乎为恒定值，数值最小，接近于零；两垂线垂向相对

7、紊动强度沿垂线分布比较均匀，近似为恒定值，且数值与纵向相对紊动强度接近；两垂线横向相对紊动强度沿垂线分布变化剧烈，沿水深在Y轴左右波动，在近底区数值趋向于零，沿水深在数值上明显大于纵向、垂向相对紊动强度。3.5雷诺应力沿垂线分布雷诺应力是因紊动水团的交换在层流之间产生的剪切应力。雷诺应力5的表达式为：（4）在上式中，当时，为雷诺法向正应力，当时，为雷诺切应力。根据垂线各点实测的三向脉动流速，可直接计算出雷诺应力的各个分量。因雷诺应力为二阶对称张量，只需计算3个正应力和3个切应力。图12绘出了1#-2垂线（）与（

8、）沿垂线分布，图13绘出了2#-2垂线（）与（）沿垂线分布。从图12、图13可以看出，两观测垂线雷诺应力沿水深分布规律相近。两观测垂线三个方向雷诺正应力从总的变化趋势上看，对于确定水深点，纵向雷诺正应力最大，横向居中，垂向最小。纵、横向雷诺正应力均随水深的增加逐渐加大，然后在近底区一定水深范围内随水深的增加逐渐减小，纵、横向雷诺正应力沿垂线出现最大值的位置在相对水深为0.1～0.2范围