挟沙水流近底流速试验研究及随机相位分析.pdf

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1、第33卷第2期人民黄河Vo1．33，No．22011年2月YELL0WRIVERFeb．．2011【水文·泥沙】挟沙水流近底流速试验研究及随机相位分析刘丽，陈洪凯，何光春。(1．重庆交通大学岩土工程研究所，重庆400074；2．重庆交通大学应用技术学院，重庆400074；3．重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400042)摘要：在动床挟沙水流条4q--F，测量了不同流量及不同弯道情况下近底流速瞬时分布的情况，将时域信号通过傅里叶变换转化为频域信号，并运用数理统计的方法对近底流速频域内随机相位的分

2、布进行了研究。结果表明：随机相枉服从正态分布。关键词：时频分析；近底流速；挟沙水流中图分类号：P642．23文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000．1379．2011．02．022挟沙水流普遍存在于天然河道和人工渠道之中，动床挟沙1．3流速测量水流存在着两个反馈系统：一方面，水流可以塑造周界，而周界首先在水槽底部均匀铺放80cm厚度的天然沙(粒径5～又反过来影响水流；另一方面，水流携带泥沙，而泥沙的存在又200mm)，然后放入清水，通过加大系统的流量来造成槽底泥反过来改变水流的物

3、理性质和紊动结构，从而影响其能量损沙的冲刷，增大挟沙水流含沙量，最终建立一种相对稳定的动失、流速和含沙量分布。与清水相比，挟沙水流流速分布规律床平衡状态，并在流动的稳定段设置固定测流断面及测流垂要复杂得多，它不仅与水流条件有关，而且泥沙的存在还反过线，测试断面为4种不同弯道(对应顶冲角度分别为83．87。、来影响水流结构，导致能量转换和流速分布发生改变J。因54．82。、21．71。及2．24。)，流速采用自行研制的瞬时流速(谱)此，挟沙水流的流速分布规律成为了河流动力学中的重要课题采集系统来采样(测

4、速)，采样速度设定为4000&／s，频率响之一，一直受到学术界的极大关注。J。由于近底层水流流速应速度为100Hz，采样数据非常可靠J。在河口悬沙的水平输送及底部再悬浮过程的研究中非常重要，因此挟沙水流近底流速数据的采集至关重要J，笔者采用模2试验结果分析型试验的方法对挟沙水流的近底流速特性进行了研究，通过测挟沙水流垂线流速分布曲线见图1(Q=527L／s，断面起点量动床挟沙水流近底流速(距离床面1cm)的瞬时分布，对近距为0．2m，顶冲角为83．87。)，不同顶冲角度情况下近底流速底流速进行了谱分析

5、，以期为动力场中垂线流速分布及近底泥随流量的变化见图2。从测试中发现，近底流速及各测点流速沙运动临界过程的发生机制研究提供基础数据。存在强烈的紊流脉动现象。受泥沙颗粒的影响，近底流速可能1试验方案及测试方法出现突然增大的现象。从图2中发现，近底流速并未随流量的1．1试验系统试验水槽长30m、宽5m，坡度为3％，玻璃水槽长约10m、赚高约0．9m、净宽1．215m，设置了20m长的引水段来稳定水流霞流速。整个试验的循环水系统包括泵站、量水堰、上游调节尾门、循环水廊道等装置。供水系统采用循环供水模式，最大

6、流量为600L／s。试验流量为46．4、90．6、158、343．4L／s和527L／s。1．2试验条件图1垂向流速分布垂线流速分布测量是在挟沙水流与槽底铺设的泥沙层相收稿日期：20l0—0卜12互调整达到一种相对输沙平衡、充分紊流条件下进行的。槽首基金项目：教育部高校博士点基金资助项目(20080618001)；中国博士后科学基为矩形薄壁量水堰，宽1．3m、高1．1m，流量达到规定数值时，金资助项目(20080430095)。作者简介：刘丽(1979一)，女，吉林舒兰人，讲师，博士，研究方向为泥石流

7、运动放水时间控制在15min左右，相对误差控制在-4-2％，槽尾通过力学及水动力学。尾门控制模型水位。E-mail：lwwqqhh@163．corn·54·人民黄河2011年第2期2,0概率密度函数：p(z)=e(6)1．6自相关函数：1一一，1．2⋯(7)昌标准化后：0．8C=R／D(8)O4功率谱密度函数：0G，=4IR(r)c0s2,rrf'rd'r(9)q／(L-s)离散形式：图2不同顶冲角度近底流速随流量变化曲线增大呈单一的增大趋势，而是有所跳动，原因是动床泥沙颗粒=2hOICo+2[c。s

8、()+s()]}(1o)的影响及床底糙率在不断变化。式中：z=；r为滞后数，r=fck／m；m为最大滞后数；J}=o，1，3近底流速谱分析2，⋯，m。上述由自相关函数进行傅里叶变换求功率谱的方法即为3．1频谱分析方法基本的估计功率谱的方法。功率谱推求方法还有快速傅里叶在工程实践中，江湖海浪、地震波、水流脉动等物理现象对变换(FFr)和自回归模型等。这些对于提高功率谱的推算速结构物的影响都是随机的，即这些现象产生的数据(如地震的度和精度都有深层意义。速度、