非恒定流水面波動(dòng)問題研究

【摘要】非恒定流指流體的運(yùn)動(dòng)特征隨時(shí)間變化的流動(dòng)，每一時(shí)刻流體的運(yùn)動(dòng)特性不僅與流場(chǎng)的邊界條件有關(guān)，又依賴于流場(chǎng)的初始條件及整個(gè)流動(dòng)發(fā)展過程?？偨Y(jié)歸納非恒定流的運(yùn)動(dòng)特性及水面波動(dòng)問題的研究。本文對(duì)以往明渠非恒定流的有關(guān)特性及應(yīng)用的研究成果進(jìn)行較詳細(xì)的歸納、總結(jié)。并總結(jié)探討關(guān)于非恒定水流在實(shí)際工程應(yīng)用的研究，對(duì)非恒定流今后的研究做出展望。

1.明渠非恒定流理論研究

非恒定流指流體的運(yùn)動(dòng)特征隨時(shí)間變化的流動(dòng)，每一時(shí)刻流體的運(yùn)動(dòng)特性不僅與流場(chǎng)的邊界條件有關(guān)，又依賴于流場(chǎng)的初始條件及整個(gè)流動(dòng)發(fā)展過程。Telionis等人將非恒定流概括為兩種，一種是流動(dòng)依據(jù)外邊界條件改變下作的響應(yīng)；另一種為流動(dòng)本身的不恒定性。眾多學(xué)者對(duì)非恒定流水面波動(dòng)問題的不斷探索，并經(jīng)過一系列的試驗(yàn)，進(jìn)一步探討非恒定流的傳播特性、水流內(nèi)部運(yùn)動(dòng)特征及運(yùn)動(dòng)要素的空間分布問題。非恒定流研究對(duì)水利工程規(guī)劃及河道整治亦具有指導(dǎo)意義。

1.1明渠非恒定流基本方程

1.2明渠非恒定流研究

研究方法中數(shù)理分析首先是通過客觀條件或理論基礎(chǔ)出發(fā)，首先依據(jù)理想液體假設(shè)建立力學(xué)模型，簡(jiǎn)化方程及計(jì)算過程。力學(xué)模型確定后，依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本方程式，設(shè)置起始條件和邊界條件，通過對(duì)質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程分析，求解所需要的各種變量。理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)計(jì)算相結(jié)合，三個(gè)方面是相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，但又不能相互取代的關(guān)系。明渠非恒定流試驗(yàn)通過建立非恒定流輸沙的水槽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在非恒定流生成、水位流量控制和監(jiān)測(cè)、流速和輸沙率的測(cè)量等均取得新的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保證了穩(wěn)定可重復(fù)的明渠非恒定流過程，為研究水面波動(dòng)問題的規(guī)律、運(yùn)動(dòng)要素的空間分布及挾沙機(jī)理的試驗(yàn)研究提供了方法。研究表明，非恒定流的水面波動(dòng)問題在傳播過程中將會(huì)隨時(shí)間存在變形，且在縱向波高上同樣存在著變形，還會(huì)出現(xiàn)波的破碎現(xiàn)象。天然河流洪水波的運(yùn)動(dòng)受過水?dāng)嗝孀兓?、沿程糙率變化、支流?lái)水等諸多因素的影響，情況會(huì)更加復(fù)雜。胡江等還[4]建立了一套高精度的明渠非恒定流水槽試驗(yàn)，對(duì)光滑明渠內(nèi)正弦型連續(xù)非恒定流傳播過程進(jìn)行了研究。試驗(yàn)在不同水流條件下的流量的變化，得出流量過程均為正弦曲線分布，非恒定流在一個(gè)周期傳播過程中，并推出計(jì)算明渠非恒定流變形率 的計(jì)算公式：

此變形率公式較好地反應(yīng)水面波動(dòng)問題沿程傳播中沿時(shí)間軸方向的變化。并由此可知影響其傳播過程中的變形特性的因素，不僅僅與傳播距離有關(guān)，還受非恒定流自身的參數(shù)影響。胡江等人進(jìn)一步通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析明渠非恒定流的傳播速度、水流運(yùn)動(dòng)特性及波的變形率等非恒定流自身參數(shù)的變化規(guī)律。非恒定流傳播過程中會(huì)隨著時(shí)間尺度上發(fā)生波的變形，基本是總的時(shí)間仍然保持不變，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，變形率與傳播距離、周期和流量波幅等參數(shù)相關(guān)。

1.3流速沿?cái)嗝嫠σ氐姆植家?guī)律

明渠水流一般都是紊流，水流的流速場(chǎng)與水流紊動(dòng)有著密切聯(lián)系，水流挾帶的泥沙更是靠著水流中紊動(dòng)漩渦的支持才能維持其懸浮狀態(tài)。隨著對(duì)明渠紊流流速分布的研究，眾多學(xué)者認(rèn)同流動(dòng)區(qū)域分區(qū)的辦法來(lái)研究流速分布情況。學(xué)術(shù)界對(duì)此觀點(diǎn)并不一致，胡春宏經(jīng)試驗(yàn)研究[2]并根據(jù)流速分布特點(diǎn)提出不同的劃分區(qū)域，并通過二次拋物線分布來(lái)驗(yàn)證實(shí)際問題的分布規(guī)律，由于公式形式及相應(yīng)參數(shù)缺乏系統(tǒng)的研究，有待進(jìn)一步的理論論證。Coles提出的有關(guān)水面波動(dòng)表面區(qū)尾流函數(shù)，運(yùn)用在精確計(jì)量流量中產(chǎn)生較大誤差，從理論或工程角度都需要探討更為符合實(shí)際、準(zhǔn)確的水流沿程分布規(guī)律。2004年，孫東坡[5]等選用矩形斷面明渠作為研究對(duì)象，依據(jù)明渠沿垂線流速的公式分布，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，其流速特性較與實(shí)際分布相吻合的特點(diǎn)。萬(wàn)俊等分析光滑壁面的紊流波動(dòng)情況，論證其分區(qū)結(jié)構(gòu)與理論一致，同時(shí)得出急流和緩流的紊動(dòng)特性基本一致的特點(diǎn)。數(shù)值模擬是一種有效的簡(jiǎn)化計(jì)算過程的研究方法，同時(shí)對(duì)數(shù)理分析進(jìn)行擴(kuò)展。數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)可應(yīng)用于復(fù)雜地形、控制條件、邊界條件不規(guī)則，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)力學(xué)方法難以求解。數(shù)值模在邊界條件上有更大的靈活性，通過與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，進(jìn)行對(duì)比論證，相互補(bǔ)充，滿足工程實(shí)踐的需要。王惠民應(yīng)用控制體積法導(dǎo)出圣維南方程，即將積分形式的基本方程直接應(yīng)用與斷面為任意形狀的控制體積，其方法概念清楚，運(yùn)用簡(jiǎn)便。

2.研究中存在的問題

1）很多學(xué)者采用實(shí)體模型、理論分析和數(shù)值模擬，給出了解決明渠非恒定流傳播過程中的一些參數(shù)研究方法及思路，而在工程實(shí)踐中借助計(jì)算機(jī)求出參數(shù)的數(shù)值解，滿足工程實(shí)踐的需要。2）非恒定流傳播過程中會(huì)隨著時(shí)間尺度上發(fā)生波的變形，基本是總的時(shí)間仍然保持不變，變形率公式可得出，變形率與傳播距離、周期和流量波幅等參數(shù)相關(guān)。另外，限于試驗(yàn)條件，部分試驗(yàn)過程中不能量測(cè)水槽中部的流量變化情況，不能準(zhǔn)確的分析流量峰值在沿距離方向上變化的函數(shù)關(guān)系式。希望以后試驗(yàn)水槽內(nèi)利用PIV 等高精度量測(cè)儀器測(cè)量準(zhǔn)確測(cè)量。3）理想液體是忽略粘性影響的假設(shè)，粘性不大是相對(duì)于其他因素而言，是否忽略其影響對(duì)流體的問題處理有很大區(qū)別，理想流體大大簡(jiǎn)化理論分析過程。

3.展望

非恒定流的研究已久，并且取得了很多研究成果，但是尚有很多問題需要我們繼續(xù)開展觀測(cè)和研究。總之，為了研究流體力學(xué)和河道洪水演進(jìn)學(xué)的發(fā)展，還有許多非恒定方面問題需要解決，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和試驗(yàn)手段的不斷完善，數(shù)值模擬方法將成為有效手段并滿足工程實(shí)踐的需要。1）通過科學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合的途徑，依據(jù)水流的基本規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，求出各參數(shù)的理論解，用數(shù)模和實(shí)體模型進(jìn)一步驗(yàn)證。2）試驗(yàn)成果中較多在出口位置處設(shè)置不同非恒定流參數(shù)下流量過程的變化情況，并不反映出沿程流量的變化函數(shù)關(guān)系. 在實(shí)際應(yīng)用中假定波幅的沿程變化與傳播距離存在函數(shù)關(guān)系，但需理論進(jìn)一步驗(yàn)證為何種關(guān)系。3）非恒定流波動(dòng)問題較為復(fù)雜，理論研究不成熟，發(fā)展較為滯后實(shí)體模擬實(shí)驗(yàn)受條件限制，特別是量測(cè)所需要的高精度的儀器設(shè)備。理論分析中利用各種學(xué)科的基本原理尋求新的思路，求解各種問題的理論解。在其他條件不變的前提下，采用新的研究方法和提高觀測(cè)水平，也是一個(gè)新的努力方向。

參考文獻(xiàn)

[1]劉春晶，曲兆松，李丹勛.明渠非恒定流推移質(zhì)輸沙試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2006，25（2）：31-37

[2]劉春晶.明渠非恒定流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及推移質(zhì)輸沙特性的試驗(yàn)研究.清華大學(xué)博士學(xué)位論文.北京：清華大學(xué)，2004.

[3]胡江，楊勝發(fā)，周華君.光滑明渠非恒定流傳播速度實(shí)驗(yàn)研究[J]，水運(yùn)工程，2009，3（425）；15-17

作者簡(jiǎn)介

孔祥遠(yuǎn)（1987-），男，山東省棗莊市人，重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，在讀碩士研究生。研究方向：港口海岸及近海工程。