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《块体形状对水流拖曳力的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、块体形状对水流拖曳力的影响庞启秀1,徐金环2,辛海霞3(1.交通部天津水运工程科学研究所,天津300456;2.河海大学交通学院,南京210098;3.天津航道局,天津300450)摘要:在计算块体受到的水流拖曳力时,常借鉴针对球体所提出的公式,然而它并不能客观地反映出块体形状对拖曳力产生的影响。文中将块体形状概化为长方体,通过水槽试验测量了水流作用下不同尺度的大颗粒块体受到的水平拖曳力,研究了块体形状对水流拖曳力的影响,并提出了考虑块体形状影响的拖曳力计算公式。关键词:水平拖曳力;块体形状;水槽试验中图分类号:TV131文献标
2、识码:A文章编号:1005-8443(2006)01-0005-04淹没在水流中的物体所受到的水流作用力,一般分解为水平拖曳力和垂直上举力。文献对球体或二维圆柱体(轴线垂直于水流方向)受到的水平拖曳力的研究较多,并且给出了拖曳力计算公式。引用Evett等人1的公式:1FD=CD2ρAu2(1)其中:CD为拖曳力系数;u为块体的作用流速;A为块体在垂直于来流方向的投影面积。对球体或接近于球体的泥沙、卵石等只需一个几何尺度便可确定粒径尺寸的物体,采用公式(1)可以方便地计算出所受水平拖曳力。但对偏离球体的块体而言,如研究碎石块2、护
3、床护坡块体3～6、洪水淹没下的桥梁7～8、抛掷水中下沉过程中的沙袋9～10等所受到的水流作用力,则需要有3个空间尺度来确定块体的尺度。块体形状影响着拖曳力的2个分量—压强力(水流方向上块体前后压强差作用)和摩擦力(水流与块体间摩擦作用)所占的主导作用,也就影响着拖曳力的大小,但由于研究大颗粒形状对拖曳力影响的文献较少,往往借鉴该公式,乘以某个形状系数11,来计算块体所受拖曳力,然而它并不能客观地反映出块体形状对拖曳力产生的影响。因此,需要研究拖曳力随块体形状变化关系,并推导考虑形状影响的拖曳力公式。1块体形状对水流拖曳力影响研究
4、现状1.1块体长高比L/s的影响Hoerner12综合了不同研究者关于长方体的拖曳力系数CD随长高比L/s变化关系的研究成果,表明:在04.0后,随长高比的增加,压强作用力系数缓慢减小,但由于块体长度的增加使得摩擦阻力持续增大,在L/s数值较大(L/s>4.0)时,由摩擦力和压强作用力组成的合力(拖曳力)系数将略微增加。在工程应用时常需要考虑块体的摆置方向,以减小水流作用力,增加块体稳定性。Bellin等3研究溢洪收稿日
5、期:2005-08-09;修回日期:2005-09-09基金项目:江苏省重点学科建设基金(4021B3)作者简介:庞启秀(1977-),男,山东潍坊人,硕士,主要从事港口、海岸及近海工程研究。Biography:PANGQi2xiu(1977-),male,master.道护底板的稳定性,Coleman等2研究碎石床(假定碎石的典型断面为矩形)的冲刷问题,Malavasi7研究洪水淹没状态下桥梁水动力荷载等,都得出了减小顺水流方向的块体长度,将减小拖曳力系数的结论。1.2块体宽高比b/s的影响Evett等1直接引用Raymond
6、的数据资料,给出块体形状雷诺数Res=Us>1000时的拖曳力系数随宽高v比b/s变化关系,两者呈正比。在b/s=1.0时,CD=1105;b/s趋于无穷大时,CD=2105。虽然以上文献研究了块体长高比、宽高比对拖曳力系数的影响情况,但并没有综合考虑块体形状对拖曳力的影响,提出综合反映这两个影响因素的计算式。试验开展本次试验块体形状概化为长(L)、宽(b)、高(s)的长方体,并通过改变块体的尺度来研究块体形状对水流拖曳力的影响。同时,由于床面对块体受力的影响,主要是局部流场的改变和块体、床面间的直接作用2个方面13,而本文将以
7、研究块体形状对水流拖曳力的影响为重点,因此试验块体可悬浮在同一水深位置处(取距床面0.4倍水深)。试验块体为预制混凝土材料,块体平均密度为1.81×103kg/m3。以块体宽度、高度、顺水流方向上的长度来定义块体尺度,为试验测量方便,将块体按高度分组如表1所示:表1试验块体尺度2Sizesoftheexperimentalsquare2sectioncylinderTab.1试验块体尺度(cm)高宽长2264622244466424446484412162266626466682244试验在河海大学航道实验室附厅变坡水槽中进行,
8、变坡水槽总长20m,宽0.3m,高0.4m。块体作用流速取块体中心点流速。水流作用力采用FEJ-3000D型电子感应秤来测量,该仪器具有调零功能,可将非测量力(如细线重量、细线受到的水流作用力、摩擦力等)调整为零。由于该仪器不具有防水性能,本次试验采用定滑轮(轴
