水流拖曳力對(duì)混凝土塊影響實(shí)驗(yàn)研究

曹忠華

(南平市武夷新區(qū)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，福建 南平 354200)

1 概 述

全球變暖導(dǎo)致的氣候變化，使世界上許多國(guó)家每年發(fā)生洪水的頻率顯著增加。極端的氣候變化可能導(dǎo)致極端的氣候條件，包括全球變暖導(dǎo)致降雨增加，從而導(dǎo)致河道和河流沿線降雨強(qiáng)度增加，導(dǎo)致洪水，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕和破壞[1-2]。事實(shí)上，在以往的研究及實(shí)際工程中，眾多學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮洪水風(fēng)險(xiǎn)是十分有益的，因?yàn)樗鼘⒂兄诮y(tǒng)籌管理洪水范圍內(nèi)的影響[3]。因此，通過估算不同水流流速、流量和水流深度對(duì)混凝土立方體的水流拖曳力，可以預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的抗洪能力。

水的流動(dòng)狀態(tài)可以分為層流、過渡流和紊流[4-5]。當(dāng)水流流速很小時(shí)，流體分層流動(dòng)，流動(dòng)的顆?？雌饋硎窃谝粋€(gè)確定的平滑路徑上移動(dòng)，并且流動(dòng)看起來是一層一層的運(yùn)動(dòng)，那么這種流動(dòng)就是層流，或稱為片流；當(dāng)流速逐漸增大，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；流速繼續(xù)增加，當(dāng)流速大到一定值時(shí)，流線不再清楚可辨，流場(chǎng)中有許多小漩渦，流動(dòng)粒子在時(shí)間或空間上表現(xiàn)為不固定的、不規(guī)則路徑上的運(yùn)動(dòng)，則稱為紊流，又稱為亂流、擾流或湍流。黏性力和慣性力的相對(duì)大小決定了流動(dòng)是層流或紊流。有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究了流過有機(jī)玻璃圓柱體的阻力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)更高的流速會(huì)增加阻力系數(shù)[6]。

本研究對(duì)移動(dòng)立方體混凝土塊所需的拖曳力進(jìn)行估算，從而幫助研究人員將理論表達(dá)式與實(shí)際流動(dòng)情況聯(lián)系起來。阻力也是土木工程師在設(shè)計(jì)河岸和海岸保護(hù)系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。因此，本研究旨在估算因流水而導(dǎo)致混凝土砌塊位移的拖曳力。此外，研究混凝土塊的質(zhì)量和水的流速如何影響流動(dòng)水的拖曳力。

2 研究方法

本研究的方法是通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行的。本研究使用的主要設(shè)備和材料是透明玻璃明渠水槽和3種質(zhì)量互不相同的立方體混凝土塊。在本項(xiàng)研究使用的3個(gè)大小相近、質(zhì)量不同的混凝土立方體見圖1。為便于區(qū)分，將3個(gè)混凝土立方體分別標(biāo)記為立方體A、立方體B和立方體C。實(shí)驗(yàn)過程中，在長(zhǎng)10 m、寬0.3 m、深0.46 m的水槽中間安裝放置混凝土立方體塊，見圖2。分別對(duì)A、B、C這3個(gè)混凝土立方體的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)依次重復(fù)3次，通過取平均值的方式以確保一致性，排除偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用3塊混凝土立方體的尺寸及質(zhì)量示意圖

圖2 明渠水流玻璃水槽

表1列舉了基于弗勞德數(shù)Fr和雷諾數(shù)Re確定的明渠水流不同的流動(dòng)狀態(tài)。

表1 明渠中的流動(dòng)狀態(tài)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，拖曳力可由以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：FD為水流拖曳力；A為面向流動(dòng)方向的混凝土立方體面積；ρ為水的密度；V為水流流速；CD為阻力系數(shù)，且由經(jīng)驗(yàn)可取CD=1.05。

3 結(jié)果討論

3.1 流動(dòng)狀態(tài)、雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr與流量Q的關(guān)系

通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)由弗勞德數(shù)Fr和雷諾數(shù)Re決定。表2給出了基于弗勞德數(shù)和雷諾數(shù)的不同流量、不同深度和不同流速下沿長(zhǎng)10 m、寬0.3 m的明渠水槽的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)500

表2 基于弗勞德數(shù)和雷諾數(shù)的流動(dòng)狀態(tài)

圖3為弗勞德數(shù)與流量的關(guān)系曲線。分析圖3中結(jié)果顯示，弗勞德數(shù)隨流量增大而增大。在小流量時(shí)，隨著流量增大，弗勞德數(shù)變化劇烈，且呈線性增大趨勢(shì)；當(dāng)流量持續(xù)增大到一定值，弗勞德數(shù)的增長(zhǎng)趨于平緩。圖4顯示了雷諾數(shù)和流量之間的關(guān)系。由圖4可知，雷諾數(shù)隨流量的增大而增大。不同于弗勞德數(shù)隨流量的變化規(guī)律，隨著流量增大，雷諾數(shù)一直保持線性增加。

圖3 弗勞德數(shù)Fr與流量的關(guān)系曲線

圖4 雷諾數(shù)Re與流量的關(guān)系曲線

3.2 水流拖曳力的估算

表3是本文為觀察水流對(duì)3塊不同混凝土立方體分別進(jìn)行的3組實(shí)驗(yàn)后，對(duì)流速和水流拖曳力平均后得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過對(duì)每個(gè)混凝土立方體上的每個(gè)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算平均流速V(m/s)和平均拖曳力FD(N)，以確保結(jié)果一致性。對(duì)于混凝土立方體A，在寬0.3 m的透明明渠玻璃水槽中觀察到的流速為0.483 m/s，這導(dǎo)致了混凝土立方體A發(fā)生移位。而在相同的玻璃水槽中觀察到的導(dǎo)致混凝土立方體B移動(dòng)的流速為0.532 m/s。在同等情況下，對(duì)于混凝土塊C，在完全相同的水槽中觀察到的流速為0.564 m/s，也導(dǎo)致混凝土塊發(fā)生位移。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，流速與明渠水流截面積成反比，流速隨明渠水流截面積的減小而增大，而流量Q與水流流速成正比。移動(dòng)混凝土塊A的水流拖曳力FD為2.737 N，移動(dòng)混凝土塊B的水流拖曳力FD為3.320 N，移動(dòng)混凝土塊C的水流拖曳力FD為3.732 N。實(shí)驗(yàn)表明，水流拖曳力將導(dǎo)致混凝土立方體在寬0.3 m的水槽中開始移動(dòng)。

表3 水流對(duì)3塊混凝土立方體A、B、C的平均拖曳力FD

3.3 流速對(duì)拖曳力的影響

圖5為流速對(duì)水流拖曳力的影響。由圖5可以看到，拖曳力隨著流速的增加而增加。相對(duì)于A塊和B塊的拖曳力和流速，水流對(duì)C塊的拖曳力最大，同時(shí)對(duì)C塊的位移速度也最大。因此，水流對(duì)混凝土塊的拖曳力與流速成正比。

圖5 流速對(duì)混凝土塊拖曳力的影響

3.4 混凝土塊質(zhì)量對(duì)拖曳力的影響

圖6為混凝土立方體的質(zhì)量對(duì)水流拖曳力的影響。其中，混凝土立方體C質(zhì)量最大，為7.847 kg，移動(dòng)混凝土立方體C需要相當(dāng)于3.732 N的水流拖曳力；而混凝土立方體A質(zhì)量最輕，為6.486 kg，移動(dòng)需要等于2.737 N的水流拖曳力；混凝土立方體B質(zhì)量在A與C中間，為7.582 kg，移動(dòng)需要等于3.32 N的水流拖曳力。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，移動(dòng)混凝土立方體所需流動(dòng)水的拖曳力與混凝土立方體的質(zhì)量成正比。與此同時(shí)，拖曳力的效果還取決于拖曳力將其移動(dòng)的物體方向及其表面粗糙度。

圖6 質(zhì)量對(duì)混凝土塊拖曳力的影響

4 結(jié) 論

流動(dòng)的水對(duì)混凝土立方體產(chǎn)生沿流動(dòng)方向的力，稱為拖曳力。本研究解釋了流速和混凝土立方體質(zhì)量對(duì)水流拖曳力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水流拖曳力隨著流速的增加而增加，通過研究可以預(yù)測(cè)，河床單位面積水流拖曳力與流速的平方成正比。速度與水流橫截面積成反比，即流速隨著水流橫截面積的減小而增加，而流量與水流速度成正比?；炷亮⒎襟w的質(zhì)量是影響混凝土立方體因水流產(chǎn)生的拖曳力的一個(gè)重要因素。因此，最大質(zhì)量為7.847 kg的混凝土立方體C需要更大的拖曳力才能將其從原位移走。結(jié)果表明，每塊面積為0.022 35 m2、質(zhì)量在6.486～7.847 kg之間的待移位混凝土立方體需要2.737～3.732 N之間的水流拖曳力。