射流冲刷试验研究

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1、射流冲刷试验研究摘要：为研究影响射流冲刷的因素，进行了70组试验，分别研究了单管和多管，水平和有入射角，贴底和离开床面，静水和动水等情况。对试验结果的分析表明：在床沙一定、河流流速与射流流速相比不大的情况下，冲刷坑的几何尺寸与Vj2/3D5/6有较好的关系。关键词：射流射流清淤潼关高程水槽试验1引言　　射流技术在生产实践中有着广泛的应用。利用射流冲刷水下淤积物，作为惯常的机械挖泥的替代措施，也有所研究和应用。例如美国海军土木工程实验室（NCEL）为解决军港淤积问题，曾进行了一系列室内和野外试验研究[1～3]。近年来，为抑制潼关河床高程的不断抬升，在潼关河段利用安装在船舶上的射流喷嘴系列进行

2、河道清淤及相应的野外测验和室内试验[4,5]。由于射流技术在工程中的广泛应用，针对射流和射流冲刷的具体问题的试验和研究在文献中常有报道。　　射流冲刷，特别是河道中射流清淤，是一个相当复杂的系统，受到诸多因素的影响，其中包括射流要素、河流要素及河床要素。由于其所包含的物理过程的复杂性，到目前为止，几乎所有处理此类问题的方法都是经验性的，所有此类问题的研究都要依靠试验。因此，系统地研究不同要素与冲刷效果的关系或者说不同条件下的冲刷效果，对于射流清淤系统的优化设计和运行是十分必要的。通过室内试验对诸多因素进行了比较系统的试验和分析研究。2试验简介　　试验在大型玻璃水槽中进行，几何尺寸为：长76m

3、，宽1.2m、深0.9m。选用煤灰做模型沙。其颗粒容重γs=2.15g/cm3,铺沙孔隙率为0.61,干容重γ0=0.84g/cm3,级配如表1。表1沙样粒配Sizedistribution粒径(mm)0.0050.010.0150.0250.050.0750.1D50累积沙重%5.58.115.837.579.790.51000.03　　射流管用紫铜管及不锈钢管制作。单喷嘴的喷嘴内径D分别为0.162cm，0.285cm，0.499cm三种。多喷嘴的喷嘴内径D为0.278cm，在同一配水管上安装七个喷嘴，喷嘴间距为5cm，试验时可封堵4个管嘴，造成间距为5cm、10cm、15cm的三管射

4、流。用可变高度的溢流水箱产生不同的稳定水头，最大水头可达3m，最大射流流速约为5m/s。射流冲刷试验分别在静水和动水中进行。3试验结果与分析3.1静水中水平贴底射流冲刷　　如前所述，射流冲刷是一个复杂的系统，其影响因素有射流因素:包括射流喷嘴形状和尺寸（本次试验均用直径为Ｄ的圆形喷嘴）、射流流速Vj、喷嘴距床面的高度ΔH、射流与床面的夹角θ等变量；河流因素:包括河道水深h，流速V、含沙量c等变量以及射流与河道水流的相对方向；河床要素:包括河床淤积物的粒径级配、沉积密实度等变量，以及参与射流过程中的流体和固体物质的基本物理性质如密度、粘性等等。把这一复杂的过程写成数学表达式的形式，则有L=f

5、(射流因素，河流因素，河床因素)(1)式中L为冲刷坑形态中的某一特征长度。在河流和河床条件一定的情况下，式（1）可简化为L=f(D,Vj)(2)就最大冲刷距离Rm（喷嘴至与原始河床齐平处的距离）对D和Vj进行多变量回归（图1）得Rm=2.2Vj2/3D5/6（单位:cm）(3)在流体动力学中，对于水下圆管射流，由流体运动方程导出射流中心线上纵向流速变化[6]Vm=6.4DVj/R(4)若假定中心线上流速随距离R增加而减少到一临界值Vc时河床不在冲刷，则相应的最大距离为Rm=6.4DVj/Vc(5)显然，当Vc一定时，Rm∞D1.0,Rm∞V1.0j。与式(3)比较，在方次上有明显的不同

6、。因为式(4)的流速分布只适用于无限边界的情况。李芳君等[7]曾做过同类试验，对其资料整理得Rm=1.25D0.8Vj2/3(6)式(6)在管径和流速的次方上与式(3)接近。NCEL根据室内研究的结果提出下列无量纲方程[1～3](Rm/D)2.4=120ρVj2/τcR0.4e(7)式中ρ为流体密度；Re为射流雷诺数；τc为临界切应力。式（7）可转化为Rm=7.35ρ2.5/6ν1/6D5/6Vj2/3/τ2.5/6c(8)当ρ、ν和τ取一定值时，Rm∞D5/6Vj2/3。尽管方程(7)是由薄层淤积物的二维冲刷试验中得出的，但其冲刷的最大距离与管径和射流流速的关系在次方上与式（3）是一致的

7、。可见式(3)所反映的冲刷距离与射流动力指标之间的关系，在不同的试验中得到证实。床沙抗冲性能的不同，则反映在该式的系数之中。静水中水平贴底射流条件下的冲刷坑总体形态，在平面上呈泪滴状，纵剖面呈勺形。表2所列为冲刷坑特征尺寸与最大冲刷距离的相对值。由表2可知，长、宽、深之间存在固定的比例，尽管各次试验结果不尽相同，但其变化范围很小。作为平均值，可取Bm/Rm＝0.36，Hm/Rm＝0.10。因此，最大冲刷宽度Bm和最大冲刷