泥沙起动表达式互化研究.pdf

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1、第32卷第1期人民黄河Vo1．32．No．12010年1月YELLOWRIVERJan．，2010【水文·泥沙】泥沙起动表达式互化研究戴清，张治昊，胡健，刘春晶(中国水利水电科学研究院，北京100044)摘要：在分析泥沙起动时水流流态特征的基础上，对泥沙起动时的起动流速表达形式与起动拖曳力表达形式之间的关系进行了研究，得到了互化公式。以经典泥沙起动时拖曳力资料和起动流速资料为例，展示了起动资料的互化结果，并对不同粒径泥沙起动时的水流流态、阻力规律、起动机理等问题进行了分析。关键词：沙粒雷诺数；希尔兹数；互化公式；起动流

2、速；起动拖曳力；泥沙起动中图分类号：TV142文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．01．012起动拖曳力和起动流速是对同一现象的不同表示方式。动拖曳力公式是希尔兹等人建立的希尔兹数与沙粒雷诺数之前人试验研究表明：促使泥沙直接起动的是水流拖曳力，用平间的函数关系(希尔兹曲线关系)；泥沙起动流速是指泥沙处于均流速来衡量泥沙的起动是间接的；起动拖曳力的表达形式起动状态的垂线平均流速，经典起动流速公式是起动流速与水存在坡降量测精度的问题，平均流速在水文站为经常测验项流特性参数和泥沙

3、特性参数之间的经验公式(散粒体与黏性细目，其形式容易掌握。因此，两种方法一直都在被采用，且彼此颗粒泥沙的统一起动流速公式)。现介绍由其中一种向另一种之间可以相互转化。从边界层理论来讲，两种形式之间的关系的转换方法，以推求互化公式。可用平均流速与摩阻流速的通用公式表达，即1．1拖曳力形式向流速形式转换该互化方式可解决拖曳力形式向任意指定水深条件(水力半径R或当量管径d)下的流速形式的转换公式问题。互化参式中：U为平均流速，em／s(计算时用m／s)；“．为摩阻流速，数见表1(表中：=to／[(Y一Y)d]，为希尔兹数；为

4、沙粒切em／s(计算时用ns)为液体密度，k晷／m；A为沿程阻力系数。应力；d为沙粒中径；为沙粒容重；为液体容重；为运动黏以式(1)为基础，可以得到严格意义上的互化公式。另一滞系数)，互化步骤如下。方面，实际工作中在研究泥沙起动问题时，为避免迭代试算或表1互化参数查图等繁琐的工作，人们往往建立解析公式，代表性的有对数流速法和指数流速法J，其公式分别为2．51n(11h)=+(2)U=0．32A()。。(3)s(1)利用沿程水头损失基本关系式和条件参数计算过程参式中：h为水深，m；△为床面糙率高度，m；A为指数流速公式系

5、数。由沿程水头损失公式：数；为水力半径，m；k为绝对粗糙度，m。矗r=A1f2对数流速法和指数流速法的前提条件是泥沙起动时水流(4)处于紊流粗糙区状态，紊流粗糙区判定条件为水流雷诺数得到水力坡度表达式：Re>2300、沙粒雷诺数Re。>70。代表性方法产生的偏差及由．，=争=㈤此引发的规律性偏离问题值得深入分析。笔者在分析泥沙起动时水流流态特征的基础上，分析得到了起动流速与起动拖曳式中：为沿程水头损失；z为流长；g为重力加速度；_，为水力力的互化公式，以经典泥沙起动拖曳力资料和起动流速资料为坡度。例，展示了起动资料的互

6、化结果，并对泥沙起动条件下水流的流态变化、阻力规律等问题进行了分析。收稿日期：20o9—09-25基金项目：水利部公益性行业科研专项(200801006)。1互化公式推导作者简介：戴清(1964一)，男，湖北麻城人，高级工程师(教授级)，研究方向为河流泥沙。起动拖曳力是指泥沙处于起动状态的床面剪切力，经典起E—mail：daiqing@iwhr．corn·26·人民黄河2010年第1期-Ybdd利用式(5)和水力半径与当量管径的关系(尺)，对沿=√岳=~／ggY,=一．√g了簪程水头损失与切应力关系Jr。=TRJ进行变

7、换，得到下式：(17)drAU2r。。=—一4=--Pg-~a(6。)生：Re：、／A将希尔兹数=—代入式(6)，可以得到y一y，鲁74—2sc+豢√sgdctsA=r。=旦(一y)a=8g()(7)PPy1．2流速形式向拖曳力形式转换式(6)右边各变量均为已知，因此笔者将A作为过程参数之泥沙起动流速形式的水沙参数主要有平均流速、沙粒中一径、沙粒和液体容重(或密度)、水力半径(或水深)、液体运动，可利用式(7)计算得到。由该过程参数得到摩阻流速计算式为黏滞系数。该互化方式可解决上述水沙参数下的摩阻流速、希尔兹数和沙粒雷

8、诺数的转换问题。

9、fo

10、P8(8)由起动流速条件下平均流速、水力半径(或水深)、运动黏滞系数、沙粒中径等参数，可计算得到水流雷诺数和相对粗将式(8)代人。：，利用过程参数扩A，即可以求得糙度：试验条件时的水流黏性系数：Re：：=(19)一==√，＼／丁c9等d=dd=一4dR(一20)由式(9)得到第二个过程参数：利用式(11)迭