卡门常数研究现状及存在的问题-论文.pdf

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1、第31卷第6期长江科学院院报V01．31No．62014年6月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteJun．20l4DOI：10．3969／j．issn．1001—5485．2014．06．0012014，31(06)：1—6卡门常数研究现状及存在的问题柳小珊。卢金友。廖小永。吴昌洪(长江科学院河流研究所，武汉430010)摘要：挟沙水流卡门常数是反映固液两相流中泥沙对水流结构影响的重要参数之一。鉴于此，回顾了卡门常数的来历、实质和卡门常数的影响因素、物理意义，总

2、结了国内外因考虑因素不同而导出的卡门公式，接着对研究得到的卡门常数作了一个简要客观的评价，最后指出卡门常数进一步研究需要注意的问题：从能量输移理论进一步弄清楚能量分配机制，同时需要更精确的试验资料进行分析。关键词：卡门常数；挟沙水流；对数流速分布；混掺长度中图分类号：T、『142文献标志码：A文章编号：1001—5485(2014)06—0001—06度)及垂线位置而异。在1933年，Taylor提出了涡旋传递理论，指出在液团脉动过程中动量必然要发1研究背景生变化，紊动过程中紊动切力形成涡量，故涡量保持自从1895年雷诺

3、(O’Reynolds)由时均概念出守恒，而不是动量保持不变J。但是涡量传递理论发研究N—S方程从而导出了雷诺方程以后，雷诺与动量传递理论都归结于混掺长度，所以没有多大方程便成了现代紊流研究的基础，但是在后来的研的价值。由上述可知，卡门常数．ic是关于混掺长度究中一直未能从根本上解决雷诺方程的封闭问题，和速度廓线的经验系数，在清水中其值是0．4，在浑这给紊流理论研究和工程技术实际应用都带来了一水中它是一变量。定困难。于是，1925年普朗特提出了混合长度假说和动量理论J，他的理论精髓为2卡门常数k的实质及用途：一pu=pl

4、f1。(1)2．1卡门常数k的实质、ay／固液两相流是一种复杂的运动，泥沙在水流的式中：7为紊动应力；p为密度；u，均为脉动流速；￡影响下运动反过来又影响水流的运动，卡门常数k为普朗特长度；)，为深度；“为深度Y处的流速。是水动力学、泥沙运动学和流体力学中的一个重要紊流研究进展到这一阶段之后，进一步的工作参数，鉴于此，有必要探究卡门常数k的实质。根据是决定紊流的混掺长度从而推导流速分布。根据混实测资料，在黏性层以上直至y／h：0．1～0．2这一掺长度理论不难推断混合长度与流速没有关系，而范围内，流速梯度很好地满足下式：只

5、是水流中所处位置的函数。于是，1934年T．VonKarman_2提出了紊流局部运动相似理论，在该理论d=。(3)v后1，中引入了一量纲常数k作为比例系数，并且给出了式中：h为水深；“为深度Y处的摩阻流速。混合长度计算公式，即1991年，秦荣昱根据长江某取水口断面和美z：du／dy。(2)国RioGrande和Beranlillo的水深一流速分布图及“／dv量纲为一的水深一流速分布图做比较，验证式(3)式中k为卡门常数。的结构基本正确，并通过分析得出，卡门常数k实质根据尼古拉兹试验，清水管流中卡门常数k为上是反映流速分布

6、变化的一个参数：流速分布越均0．4，冠利根¨3(G．H．Keulegan)分析了巴津(H．E．Bazin)的试验资料，证明在不同形状及糙率的明渠匀，流速梯度u越小，卡门常数k越大；流速分布越清水流中，卡门常数k亦为0．4，只有在挟沙水流中，不均匀，就越大，卡门常数k值就越小。在相同卡门常数k因挟沙浓度或理查逊数m(挟沙浓度梯收稿日期：2013—05—22；修回日期：2013—06—28作者简介：$ptl-,珊(1987一)，男，山西芮城人，硕士研究生，主要从事河流泥沙研究，(电话)13545041236(电子信箱)liu

7、xiaoshan2987@163．com。2长江科学院院报2014丘的‘，(比降)，h(或相同的摩阻流速“。)下，卡门常数层以上直至x／h=0．1—0．2这一范围内，流速梯度很好地满足了式(3)。反算就可以得到式(8)。k与成反比。z=)，2．2卡门常数k的用途√l一音。(8)2．2．1预测流速分布通过仔细分析，这种演算只是在数学上成立，而目前，固液两相流流速分布有2种模式，其一就从物理图形上来讲，则存在明显的矛盾，由于混掺理是变k模式，持这种观点的人占大多数，而变k模式论本身并不能够提供一个Z的理论表达式，所以的中最有

8、影响的流速分布公式就是卡尔曼一勃兰德对选取还停留在猜测的阶段，但是在实用中掺长优于数公式J，即任何被用来改进的新的掺长。：ln鱼(4)“kY式中M为深度Y处的最大流速。3卡门常数k的研究现状根据式(4)可以计算出流速廓线。3．1卡门常数k的影响因素2．2．2计算泥沙悬浮指标20世纪30年代劳斯(H．Rouse)指出悬