沙纹床面涡量特性实验研究.pdf

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1、第46卷第23期人民长江Vo1．46．No．232015年12月YangtzeRiverDeC．。2015文章编号：1001—4179(2015)23—0064—05沙纹床面涡量特性实验研究张向东，蔡琼，厉凯，唐立模4(1．宁波市水利工程质量与安全监督站，浙江宁波315016；2．宁波市农村水利管理处，浙江宁波3l50163．江西省水利规划设计院，江西南昌330000；4河海大学水利水电学院，江苏南京210098)摘要：沙纹的形成与水流流态密切相关，但对于其相互关系至今尚无确定的结论。采用PIV(ParticleImageVelocimetry)测量设备对沙纹床面水流特性及涡量特性

2、进行了实验研究。通过对平床与沙纹床面涡量场的比较，得到了沙纹床面的涡量分布区域。结果表明，涡量较大值主要集中在沙纹的背水坡面与迎水坡带，之外区域涡量值约为零。结论对研究沙纹的形成有积极意义。关键词：涡量特性；PIV；紊动作用；沙纹床面中图法分类号：TV142文献标志码：ADOI：10．I6232／i．cnki．1001—4l79．2015．23．0151研究背景其分布规律。2实验装置及流场验证床面形态与水流的流态密切相关。对应于定床水流的缓流、临界流、急流3种情况，可以将动床水流流PIV的流场测试原理是将两幅图像的粒子进行一态与床面形态相联系进行分类，从低能态流区到高能定的相关性运

3、算，得到流场矢量图。根据实验条件对态流区依次为：沙纹、沙垄、平整床面、逆行沙垄和激光的强度和脉冲时问进行设置，照亮水中的PIV粒驻波、急滩与深潭。当流动变为双向流(即潮汐流)，子，并捕获相关图片，进而得到流场信息。PIV或是水面存在波动条件，亦或是二者的叠加，床面形态实验系统的构造和布置见图1—2。测试断面为沿水变化更为复杂而且多样I3。水流会导致沙波的出流方向、平行水槽边壁的纵向剖面。图3是沙纹床面现，沙波又反过来影响水流结构，具体表现为沙波的消条件下的粒子运动示意图。为了高效地使用PIV测试长与水流结构变化。因此，通过研究水流与床面相互系统，得到合理、真实的流场信息，实验前对P

4、IV系统作用可以了解河流的运动和发展。进行合理地布置、调试、标定”。。图4为实验中所采对沙纹床面下的水流运动，前人做了大量的研究用的二维概化沙纹床面¨，波高1．5cm，迎水面波工作，但大多数是从速度场的角度进行分析，未能长14cm，背水面长度2cm。实验中PIV参数设置见从涡量场的分布特性出发进行研究。为了描述河床形表1。所采用的实验水流条件见表2。顺水流方向为态的发展、变化，不少研究者试图从理论上建立动力学轴，垂直水槽壁面为】，轴，垂直水槽底板为z轴。或运动学控制方程，因其理论体系或边界条件目前还CCD(Charged—coupledDevice)相机标定的原则不完善，联立求解水

5、流和床面泥沙的运动方程有较大是：在相机的焦距范围内尽量使所要拍摄区域的画质难度。与单点测量设备相比，PIV测量系统可以清晰。通常做法是，首先确定所需要测试(拍摄的)断快速得到瞬时的、不受干扰的、全面的流场信息。因面的位置，在该处直立放置一把直尺，调节相机的焦此，本文通过PIV仪器来研究沙纹床面的涡旋运动及距，得到直尺刻度的清晰图像。通过读取标尺与相机收稿日期：2015—06—19基金项目：国家自然科学基金资助项目(50909036)；水文水资源及水利工程学科国家重点实验室基本科研业务费用自主研究项目(20l1585712)作者简介：张向东，男，工程师，博士，主要从事泥沙运动力学方面

6、的研究。E—mail：317990830@qq．corn68人民长江2015芷限制作用，涡量值也为零。具体见图11。上就是颜色的均匀分布。参考文献：【lJSimonsDB．，RichardsonEV．Formsofbedroughnessinalluvialchannels[J]．J．HydraulDiv．，ASCE，l961，87(3)：87—1O5．[2]VanderWerf，Jj，DoueetteJS，ODonoghue，T，etalDetailedmeasurementsofvelocitiesandsuspendedsandconcentrationsoverfull—s

7、calerippleinregularoscillatoryflow[J]．JournalofGeophysicsResearchEarthSurface，2007，l12(E2)：1059—1101[3]VanderWerfJJ，MagarV，Malarkey．f，eta1．2DVmodelingofsedi—menttransportprocessesoverfull—scaleripplesinregularasymmetricmoscillatoryflow[