順直河道垂線流速分布實驗研究

謝佳明

重慶交通大學

順直河道垂線流速分布實驗研究

謝佳明

重慶交通大學

為了研究順直河道垂線流速分布，本文采用水槽實驗數據和理論分析相結合的方法，使用EXCEL軟件繪制順直水槽垂線流速分布曲線，通過基于實驗數據繪制的順直水槽垂線流速分布曲線得出有價值的結論。并提出流體力學中幾種流速分布公式，以便于與本次實驗研究得到結論對比，從而驗證研究合理性。

順直河道；垂線流速；流速分布曲線；拋物線型流速分布公式

一.引言

河道的流速分布極其復雜，目前的研究大多假定水流是恒定的，均勻的，二元的時均流速沿河道縱向分布，即其基本理論及其公式都是建立在順直河道水流結構的基礎上進行的。掌握順直河道水流運動規(guī)律、分布規(guī)律，為研究流體力學和實際工作中的應用打下基礎。本文就是通過實驗來增加對順直河道水流結構的感性認識，了解順直河道水流運動規(guī)律，分布規(guī)律。

二.實驗研究基本方案

本文實驗研究是用6m玻璃水槽、流速儀、流量及水位量控制系統(tǒng)進行的，測量實驗橫斷面流速，垂線流速，沿程水位及水面坡降。

在本文實驗測量中，根據工程水文學關于河道測量的浮標數不少于5條的要求，垂線上的測量點用五點法或六點法，其中，水槽中間垂線上的測量用10點法，目地是為了更好驗證垂線流速分布理論。

同時應用流速的指數分布理論，對數分布理論，拋物線分布理論作為本實驗的理論依據。把本次實驗得到的實驗值與用經驗公式計算的理論值進行對比，也可以驗證本次實驗研究的合理性與可行性。

三.實驗步驟

第一步：打開進水閥門向水槽中注水。第二步：在流量控制系統(tǒng)中輸入設入的流量，從而使水槽水位提升。第三步：控制尾門附近的水位讀數。第四步：當流量計和尾門的水位穩(wěn)定后即開始測量水槽水深和沿程水位。第五步：將水槽水深等分，在橫斷面上間隔3-5cm測量0h,0.2h,0.4h,0.6h,0.8h,h等各點流速。第六步；改變流量水深，繼續(xù)按3-5cm間隔施測橫斷面上0h,0.2h,0.4h,,0.6,0.8h, h等各點流速和沿程水位。第七步：關閉儀器，進行數據處理與分析。

四.實驗測量數據記錄

分別在距離水槽左邊緣5cm,10cm,15cm,20cm處選擇4條測速垂線，并在距離水面，水深分別為1.5cm,2.5cm,3.5cm,4.5cm, 5.5cm,6.5cm處用旋槳式流速儀測量流速，每組測量3次，求其平均值作為該處流速，數據記錄表如下：

五.實驗數據處理與分析

（1）用EXCEL軟件進行實驗數據分析，計算出各組測量的流速平均值，并點繪橫斷面流速分布曲線，如下圖所示：

（2）用數學公式（指數或對數流速分布公式）描述所點繪的曲線。

采用對數型流速分布公式（卡曼—普蘭特爾公式）進行描述：

umax-水面處的最大流速,m/s;

琯u-位于相對水深y/h處的時均流速,m/s;琯

u*-摩阻流速,m/s;

琯κ-卡曼常數,靜止清水中取為0.4;

式中，琯h-水深,m;

琯y-距離床面的距離;

采用拋物線型流速分布公式進行描述：

式中，m—常數，其值取為20—24。

該式是根據大型水槽實驗資料推導出來的，應用較為普遍；并且該式可計算出河底的流速為一定值，而上述的對數流速分布公式不能用于河底處的流速計算。

六.實驗數據分析及結論

通過實驗數據曲線分析得到如下結論：

（1）通過本次水槽模型試驗使河道垂線流速理論公式在實驗中得到驗證。

（2）通過實驗數據曲線的繪制可以得到：水槽垂線流速接近拋物線型。

（3）從縱向流速分布來看，最大流速點位于2.5米水深處，垂線流速為2.7dm/s，即最大流速位置在距離水面距離為0.2倍水槽水深處。

（4）當水深小于2.5米時，垂線流速隨著水深的增大而增大；當水深大于2.5米時，垂線流速隨著水深的增大而減少。

（5）從斷面橫向流速分布來看，最大流速分布在中部測速垂線處。

[1]喻濤，蘭艷萍等.河流動力學實驗教程[M].北京：北京交通大學出版社，2016.

[2]張瑞瑾.河流泥沙運動力學[M].北京：中國水利水電出版社，2014.