明渠紊流测量中的梯度效应

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1、明渠紊流测量中的梯度效应(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：蔺秋生指导教师：李丹勋研究员二○一五年十一月BiasErrorsInducedbyGradientsinOpenChannelFlowMeasurementDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinHydraulicEng

2、ineeringbyLinQiushengDissertationSupervisor:ProfessorLiDanxunNovember,2015摘要摘要应用PTV测速技术可以获得离散的瞬时速度数据，在数据后处理过程中，需在有限大小的采样窗口内对采样数据进行统计平均。由于流速梯度、浓度梯度和相间速度差的存在，在采样窗口内的平均过程将产生统计误差（或称测量偏差）。本文在前人研究工作的基础上，以明渠水沙两相流为研究对象，对上述问题进行了较为全面的研究。垂线流速分布选用对数型公式和指数型公式并进行对比分

3、析，浓度分布选用Rouse公式；经理论分析推导出了平均速度、紊动强度测量偏差解析表达式，通过对表达式的理论分析和数值计算，分析测量偏差的大小及其随影响因素的变化规律。由于流速梯度的存在，在采样窗口内测得的平均流速值与采样窗口中心点处的真实值相比偏小，而估算的紊动强度值要高于真实的紊动强度值，该结论与选用的两种具体流速分布型式无关。由流速梯度引起的测量偏差与流速分布型式、采样窗口尺寸h、窗口中心位置y有关，测量偏差等值线图呈单调递增函数曲线。m若采样窗口的尺寸不变，测量偏差在明渠流的上部区域相对要小

4、，在靠近床面的下部区域则相对要大；相对于对数型公式而言，指数型公式得到的偏差略大。实验室和野外实测资料分析表明，平均速度测量偏差在整个水深范围内均不大，常可忽略不计，但紊动强度的测量误差相对较大，不可忽略。浓度梯度的存在使得示踪颗粒在采样窗口内分布不均，当同时存在流速梯度时将引起测量偏差，偏差大小与采样窗口尺寸、窗口中心位置、流速分布型式以及浓度分布的不均匀程度（颗粒悬浮指标Z）四个因素有关。平均速度的实测值小于真实值，而紊动强度实测值大于真实值，且与清水水流相比，浓度梯度效应使得紊动强度测量偏差进

5、一步增大。平均速度、紊动强度测量偏差等值线图自床面向水面并非单调函数曲线，拐点出现在相对位置yh/0.30.5处。采用传统“浑水流”模式得到的混合物的平均速度与PTV测量得到的固、液相各自平均速度偏差的正负取决于相间速度差U的正负；在特定水流条件下，固相颗粒浓度越高，混合物的平均速度就偏向于颗粒的速度分布，反之亦然；理论分析和实验结果均表明，混合物的紊动强度有可能小于水流的紊动强度，也有可能大于水流的紊动强度。通过对固、液相各自实验数据进行简单算术平均来确定浑水运动参量的处理方式是不当的。关键

6、词：PTV；测量偏差；流速梯度；浓度梯度；相间速度差IAbstractAbstractParticletrackingvelocimetry(PTV)providesrandomlyspacedinstantaneousvelocitydata,andaverageofthesedataoverafinitesamplingbinintroducesbiaserrorsduetotheexistenceofvelocitygradient,concentrationgradientandveloci

7、tylagbetweenliquidandsolidphases.Thisthesispresentsasystematicstudyofsuchbiaserrorsinthemeasurementofopenchannelflowwithtypicalvelocityprofiles(thelog-lawandthepower-law)andconcentrationdistribution(theRouseequation).Themagnitudeofthebiaserrorsinmeanve

8、locityandrootmeansquare(RMS)velocityisillustratedthroughbothanalyticalandnumericalinvestigations.ThepresenceofvelocitygradientleadstoanunderestimationofmeanvelocityandanoverestimationofRMSvelocityinthesamplingbin,irrespectiveofspecificv