低含沙水流运动特性综述

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1、低含沙水流运动特性综述摘要：本文着重综述了清水水流(在固定—可动边界条件下)、挟沙水流的流速分布特征、紊动特性、能量间分配关系等流动现象的内部规律，并系统分析比较了它们的异同，文中还兼论了卡门常数。关键词：清水水流挟沙水流流动规律1引言　　拟序结构的研究丰富了人们对湍流的认识，近年来非线性科学的发展对湍流研究起了很大的推动作用。流体运动过程中的流速能量分布关系及其规律和猝发的特征及性质，一方面是研究挟沙水流等的基础，另一方面本身有其重要的理论意义和实践意义，本文探讨低含沙水流和清水特性的异同。2猝发现象　　猝发现象的具体描述参见有关

2、3平均流速和脉动流速3.1流速分布　　对流速分布的研究(这里以明渠为研究对象)人们作了大量工作，自从普朗特提出流速分布的对数公式后，50年代［12］曾给出了在整个边界层都适用的流速分布公式umax-u/u*=1/kln(δ/y)+π/kf(y/δ)(5)式中k为卡门常数，δ为边界层原子度，π/kf(y/δ)为尾流函数。据[13]～[14]的研究，在明渠中，可以认为对数率一直适用到水面，即认为尾流函数为零。这里采用窦国仁流速分布公式(6)式中u为距壁面y处的时均流速，rl和rt分别为层化和率流的发生率。vl、vt分别为层流和率流的流速

3、成分布，其它符号参看[13]。从湍流的内部结构入手，研究流速分布是一个重要的方向。[15]通过研究后得出，令Φ=u/u*,η=u*y/υ,则光滑边壁时外区流速分布可表示为(7)在上述流速分布公式中，对如下变换群变换，其形式保持不变υ1=λυ,u1=λ-αu(8)上述变换也称之为重整化群变换，(α为重整化群参数)。　　在粗糙和过渡情形时，[16]经过研究后认为令(9)则可得包括光滑、过渡、粗糙在内的明渠流速的分布公式为(10)易知，在上述流速分布公式中，若令(11)则上式在上述变换群变换下其形式保持不变。应当指出公式推导的物理基础是外

4、流区，对近壁区其物理假定并不成立，但却开辟了一条从流体内部结构入手分析其流速分布规律的途径。3.2脉动结构　　明渠紊流的脉动结构采用窦国仁提出的下述公式(12)(13)(14)式中k为卡门常数，δ为边界层原子度，为紊流时的平均流速。　　董曾南在光滑壁面明渠均匀紊流的试验中将水流沿水深方向依次划分为粘性底层、过渡层、紊流层，其紊流度(标征的大小的量)可参看图2。图2紊流度分布Distributionofturbulentintensity(a:H=15mm,x=4.85m;b:H=20mm,x=5.00m;c:H=30mm,x=4.8

5、5m;d:H=40mm,x=4.8m编号虚线为对应曲线的基线，H为水深，x为相对于起始点沿流向距离)　　若平均流速和脉动流速均采用窦国仁公式，取，则有(15)(16)(17)(18)(19)　　平均流粘性耗散能相对于E3所占的百分比若u*y/υ∈［0，5］则E1/E3=87.3%(20)　　若u*y/υ∈［5，10］则E2-E1/E3=9.2%(21)　　若u*y/υ∈［0，10］则E2/E3=96.5%(22)　　若u*y/υ∈［10，15］则E4/E3=3.4%(23)　　顺便指出分布结果比较复杂，具体结果参照3.3湍流现象

6、其实针对湍流概念，[18]给出了一个极好的描述，它联系了涡运动与紊运动的物理关系，以及表达了紊运动在时间和空间上都是一种局部现象。　　令1/λt=粘性应力/紊动应力=[μ（du/dy）]/-ρu′v′(25)对于充分发展紊流取u*δ/υ≈11,u*y/υ≈12,k=0.4知(采用窦国仁公式)λt≈1.5(26)在湍流流速场分布中，[19]找到了如下的速度场之间的广义自相似性关系x′=λx,t′=λt1-β,V′=λβV,（p/ρ′）=λ2β（p/ρ）,υ′=λ1+βυ(27)其中β为标度指数。　　针对柯尔莫哥洛夫的湍流物理图象，[2

7、0]提出了β模型。由β模型知，令间歇现象的维数为D，则(28)vn∝∈1/3ln1/3（ln/l0）(D-3)/3(29)Tn∝∈-1/3ln2/3（ln/l0）(3-D)/3n(30)En∝∈2/3ln2/3（ln/l0）(3-D)/3(31)　　易知D=3时，ld=(∈υ-３)-(1/4)即为柯尔莫哥洛夫的耗散尺度。　　出现上述结果的本质，在于流体运动都受控于NavierStokes方程。因而出现流体运动时均流速和流动特征等流体运动所固有的特性。分析猝发现象中关于k值的论述和[21]～[26]、窦国仁、练继建、洪柔嘉等的研究结果

8、，k值大小直观的讲，和流速分布梯度有关，[24]对此作了最为详细的研究。k值似乎和雷诺应力关系密切，这在[25]的试验结果中看的更为清楚。换言之，卡门常数和流体运动过程中能量分配关系有关。4低含沙水流运动　对于理查逊(Richard