沙纹床面水流特性研究

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1、沙纹床面水流特性研究　　摘要：沙纹的形成与水流强度有密切的关系。沙纹床面的下水流特性研究一直以来缺少有力的研究成果。本文采用单点测量设备ADV（acousticDopplervelocimetry）在实验水槽中对固化沙纹床面下水流特性进行细致研究。研究因素包括了沙纹床面下水流的时均流速、雷诺应力、相关系数等紊流特性。其成果对于沙纹的成因有积极意义。关键词：沙纹床面；水流特性；ADV；紊流作用泥沙颗粒在一定的水流作用下形成沙纹，沙纹在一定的水流条件下进一步形成沙垄。研究沙纹的形成、运动、发展，对于计算推移质输移动、河道的形成等众多理论与实际问题都有重要的意义。对

2、于沙纹的成因，郑兆珍、王尚毅[1]从共振波理论出发，认为水流作用在泥沙颗粒上的推动力，可分解为时均力和脉动力；脉动力又可理解成多级向量谐波的综合作用结果。从而在均匀水流中，对于每级谐波而言，每个或几个整波长处的对应相位沿流程一致。按照共振理论设想作周期性摆动着的泥沙颗粒，其自身具有检波性质。白玉川等人[2，3]发展了郑兆珍的观点，认为扰动切应力频率接近泥沙固有频率，则泥沙颗粒产生共振，此时床面发生响应，沙纹发展速度最快。毛野、张志军[4，5]论述了国内外对明渠紊流拟序结构、泥沙运动与床面形态、拟序结构与泥沙运动和拟序结构与床面形态等方面的研究进展。其分析认为，

3、沙纹床面对明渠水流拟序结构特性有重要影响。水流在沙波顶部分离，沙波周围高于沙纹顶部的流区为自由紊流区，低于沙波顶部的区域为沙波紊流区；在自由紊流区典型的剪切混合层也有显著的喷射和清扫为主要特征的猝发现象；在沙波紊流区的沙波迎水坡面上水流分离，在背水坡附近产生涡旋；自由紊流区域沙波紊流区之间的紊流拟序结构不同，它们相互作用的结果产生了特有的泡漩现象；沙波紊流区域和自由紊流区的紊流拟序结构对可冲积河流的水流与泥沙运动有决定性作用。构造一个合理的概化沙纹代替天然沙纹并能反映沙纹条件下的水流结构是本文的研究出发点。1实验设备声学多普勒测速仪（acousticDoppl

4、ervelocimetry，ADV），通常也称超声多普勒测速仪。它是利用声波的多普勒效应来测量流体运动速度。由于ADV的测量点与发射、接受之间存在一定的距离，仪器本身对所测量部分的流场所造成的干扰可以忽略，因此ADV通常被认为是一种非接触式测量，可以测量三维速度。其具有精度高、无需率定、操作简便等优点。本实验中用的ADV系从美国Sontek公司引进的，其具有性能稳定、对水体无干扰、测量精度高、与激光测速仪相比价格低廉等优点。但由于该ADV是采用俯视式，所以接近水面5～6cm的水深位置是测试盲区。本实验所采用的ADV各项性能指数如表1所示。图1为实验中的ADV装

5、置。2实验方案根据前期沙纹动床研究成果[6]，本次试验研究中出现频率最高的二维沙纹的形状：波高1.5cm，迎水面波长14cm，背水面长度2cm，如图2、3所示。此种情况下的背水面的角度为36.9°，这与文献[7]中所提及的天然泥沙水下休止角范围32°～34°较为接近。选择该沙纹形态作为水流特性研究的概化床面，其制作材料为5mm的有机玻璃板，制作过程保持沙纹的迎水、背水坡面的平整、缝隙密封，并可以承受实验过程中的水压力。测点的布置为：沙纹尺寸高度hs为1.5cm，沙纹的背水面的水平长度为2cm（测点间隔1cm，共3个测点），迎水面选取测量

6、长度为12cm（测点间隔3cm，共4个测点）。x方向为水流的方向，z方向为垂向。坐标原点O定位于测试断面1#的水平投影点位置。3结果分析3.1时均流速图4.1-4.2为沙纹床面纵向流速分布图，在不同的测量断面靠近床面底部纵向流速的变化各不相同。在沙纹波谷处（断面3#）以及迎水坡面（4#断面），流速没有出现明显回流趋势，这与前人的研究成果[8-10]比较，有些不同。分析其主要原因是，本研究中的沙纹波高值较小（hs=1.5cm），以致水流的回流不是很明显，在图中显示的结果近似为零。在断面5#之后，纵向流速分布沿程分布大体是符合明渠水流的分布规律。从垂向的流速分布也

7、可以进一步分析水流的分离点。图4.2为沙纹床面垂向流速分布，图中2#～4#断面的基点为第一、二、三条虚线，为了便于观看，将它们平移到图中现在的位置。从图中可以看出，断面2#～4#，靠近床面附近的距离垂向流速为负值，说明水流存在明显回流。5#断面之后垂向流速值在垂直方向上变化很小，几乎为零，这说明水流呈现明显的二维性。因此，本次实验中的水流分离点的位置约为5.0倍沙纹高度（x≈5.0hs）。在荷兰的Delft实验室的研究中，研究者（vanMierlo，M.C.L.M.anddeRuiter，J.C.C1988）[11]给出了一个结果为：x=5.2hs

8、，与本文的试验结果甚为接近。3.2雷诺