复式断面边界剪切应力分布规律研究(胡春宏 吉祖稳)

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复式断面边界剪切应力分布规律研究

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胡春宏   吉祖稳水利论文m)B1n(yN2fUt%@
中国水利水电科学研究院)水利论文f$Mf_b}

摘   要:在复式断面明渠中,由于存在滩槽水流动量的交换,改变了边界剪切应力的分布规律,进而影响滩槽的阻力和输水能力。本文利用作者实测的剪切应力分布资料,通过与矩形明渠边界剪切应力分布的对比,对复式断面边界剪切应力分布的特征进行了分析,建立了滩槽平均边界剪切应力与水深的关系,为复式断面水流结构及输水能力的研究打下了基础。

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关键词:复式断面;边界剪切应力;主槽;滩地

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1引言

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  明渠水流与二维水流(如圆管流等)在许多方面存在着本质的差别,这种差别使得明渠水流的流速分布和阻力特性发生了变化[1,2],剪切应力沿边界的分布规律是研究水流结构及水流阻力的重要因素,在圆管流和平板流中,水流是二维流动,其剪切应力沿边界是均匀分布的,而对复式断面明渠水流而言,边界剪切应力的分布是不均匀的,并与矩形明渠流的分布规律有所不同[3]Rajaratnam[4]等人在大量试验的基础上,认为主槽内的床面剪切应力在主槽中心附近达到最大值,向两侧逐渐减小,最终在两侧边壁附近达到最小值,滩地内的床面剪切应力在滩槽交界起始位置达最大值,其后逐渐减小,并最终达到一相对稳定值。水利论文5B~%I2u(OYA^3Fh

如图1所示,从图中可以看出,在滩槽交界面处,主槽一侧剪切应力与滩地一侧剪切应力之间存在一个差值,前者小于后者,由于滩地的存在,使得复式断面边界剪切应力分布受到滩槽水流动量交换的影响,从而改变了边界剪切应力的分布规律,进而影响滩槽的阻力和输水能力,其影响因素较为复杂,与杨树清[5]对矩形明渠流边界剪切应力的分析结果是不同的。在文献[3]中对这方面的研究进行了详细综述,本文将利用作者对复式断面边界剪切应力分布的实测资料,重点对顺直河道滩槽边界剪切应力分布规律进行分析。水利论文oR Q'h|e'UH(K|

2复式断面边界剪切应力试验概况

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1复式断面边界剪切应力分布示意图

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2.1边界剪切应力的测量方法

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  通常边界剪切应力的测量方法分为两类;即直接测量法和间接测量法。间接测量法主要依赖于接近边界垂线上的流速分布规律,而直接测量法则是通过测量作用于边界上一个微元上的作用力来计算剪切应力,但要想准确地测量出作用在一个微元上的作用力是十分困难的,这也是为何直接测量法难以实用的原因之一。目前比较常用的测量方法还是间接测量法,它也可分为两种方法;一种是利用垂直于边界上的流速分布估算,另一种是采用Preston管测量。本文的复式断面边界剪切应力是采用Preston管测量得到的[3]Preston管的原理与测量方法请参阅文献[]水利论文D![,nT~&k

2.2试验概况水利论文dJDdK {

  复式断面明渠边界剪切应力试验测量的基本水流条件如表1所示[3]。试验水槽长30m,主槽宽0.3m,滩地宽0.7m,滩槽床面高差0.06m,滩地深0.2m,床面坡度J0.001,如图2所示。水槽床面与侧壁为水泥面,主槽糙率约为0.011,滩地糙率约为0.013。试验流量范围为11.4335.69l/s,水深范围为7.7712.72cm,表1990613e01.gif (864 bytes)为断面的平均剪切应力,990613e02.gif (880 bytes)990613e03.gif (887 bytes)分别为主槽和滩地床面的平均剪切应力。

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2水槽试验复式断面示意图
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6twV)s6Q#uic1Q^01边界剪切应力分布试验组次水利论文H4K@Um


组次H(cm)JQ(1/s)990613e04.gif (929 bytes)990613e05.gif (932 bytes)

18.210.00112.781.280.84
28.70.00114.281.390.79
39.680.00119.21.190.9
410.250.00123.461.150.92
512.720.00135.691.160.92
611.280.00128.631.130.93
711.830.00131.811.030.99
87.770.00111.431.260.85
910.530.00123.731.080.96
1011.220.00125.81.090.94

3复式断面边界剪切应力分布的特征水利论文c'V-?;\&EH

  图3和图4为实测的复式断面流速等值线分布和边界剪切应力沿边界的分布。在矩形明渠中,没有滩槽动量交换,断面流速等值线分布以断面中心线对称分布,最大流速位置随着宽深比的大小而变化,而在复式断面明渠中,有滩槽水流动量交换,随着宽深比的减小,滩槽水流动量交换所影响的区域将增大,如图3所示。由图3和图4可见,复式断面边界剪切应力分布具体如下特征:水利论文yti5N,bn

  1.随着水深的增加,主槽和滩地的剪切应力分布逐渐均匀化,表明水深的增加使滩槽水流动量交换加强,两者的水流紊动强度逐渐趋于均匀化。

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  2.在主槽与滩地的交接面附近,由于滩槽动量的交换在此区域最为强烈,使得这一区域内剪切应力分布最不均匀,这也是与矩形明渠的不同之处。

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  3.在主槽的中心区及在滩地上距交换面一定距离以外的区域内,剪切应力分布基本是均匀的,即不受滩槽动量交换的影响。水利论文h.S'A.]&F;[

  4.根据断面流速分布和边界剪切应力的分布规律,为研究方便起见,可将断面分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区和边壁区[3],在主槽平衡区和滩地平衡区内水流运动具有一般明渠流的特点,在边壁区水流主要受到边壁的影响,而在滩槽交互区,主要受到滩槽水流的相互作用,使水流结构发生了变化,该区是复式断面水流研究的重点区域。水利论文GzP6R"@eQ5_:hW(B

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3实测复式断面流速等值线分布
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4复式断面明渠滩槽平均边界剪切应力与水深的关系水利论文.e"Zo[ln:a4@0y

  图5(a)(b)(c)分别为复式断面明渠实测主槽床面及边壁平均剪切应力和滩地床面平均剪切应力与水深的关系,由图可见,随着滩地水深的增大,相对主槽平均床面边壁剪切应力990613e02.gif (880 bytes)/990613e01.gif (864 bytes)990613e06.gif (886 bytes)/990613e01.gif (864 bytes)逐渐减小,而相对滩地的平均剪切应力则增大,说明当水流刚漫滩时,主槽的剪切应力与滩地的剪切应力分布是很不均匀的,主槽的剪切应力较滩地的大,但随着滩地水深的增大,主槽和滩地的剪切应力逐渐趋于一致,经回归分析,图中的曲线可表达为

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4实测复式断面边界剪切应力分布水利论文N1Bb/xlO9}-cB

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(2)

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(3)水利论文J1u7Ot*OiD

  式中990613e01.gif (864 bytes)为断面平均剪切应力,990613e02.gif (880 bytes)990613e06.gif (886 bytes)990613e03.gif (887 bytes)分别为平均主槽床面、边壁及滩地床面的剪切应力,hmc为主槽水深,hfp为滩地水深。式(1)的相关系数R0.76,式(2)R0.89,式(3)R0.79,可见相关程度较好。

  图6给出了复式断面明渠主槽床面平均剪切应力和滩地床面平均剪切应力之比与水深的关系。由图可见,在滩地水深较小时,两者的比值较大,可达1.8,即主槽床面平均剪切力比滩地床面平均剪切力大1.8倍。随着滩地水深的增加,主槽与滩地床面平均剪切应力之比逐渐减小,并趋向1.0,说明随着水流强度的增加,滩槽动量交换已充分发展,使得滩地床面平均剪切应力趋近于主槽床面平均剪切应力。图6中的曲线经回归分析后可得。

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(4)水利论文rf A%d9FF{%V

  式(4)的相关系数为R0.78水利论文qj/T3QbL.fq

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5复式断面滩槽实测相对平均剪切应力与水深的关系水利论文(`:F4Kxw,_,t

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5结语水利论文J!\| L&|2f

  在复式断面明渠中,由于存在滩槽水流动量的交换,改变了滩槽边界剪切应力的分布规律,进而影响滩槽的阻力和输水能力。根据作者的实测复式断面流速等值线分布和边界剪切应力分布的分析得到了如下认识:

#qp:]hY)Eo0  1.复式断面边界剪切应力随水深或宽深比的变化而变化,当水深增加(宽深比减小)时,主槽和滩地的剪切应力分布逐渐趋于均匀化,表明水深的增加使滩槽水流动量交换加强,两者的水流紊动强度逐渐趋于均匀化。水利论文_1f{%X6sW1z2Pf

7[M$VVXQ0  2.为研究方便起见,可将复式断面划分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区和边壁区。在滩槽交互区,主要受滩槽水流动量交换的作用,使水流结构发生了变化,该区是复式断面水流研究的重点区域。

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  3.复式断面的边界剪切应力与水深的关系依主槽和滩地而有不同的变化规律,如式(1)(4)所示。

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6复式断面实测主槽和滩地床面平均剪切应力之比水利论文h7t#U;s7r O
与水深的关系

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参  考  文  献水利论文FHDENi0F[6l c1j

[1]胡春宏,惠遇甲。明渠挟沙水流运动的力学和统计规律。科学出版社,1995年。水利论文 E;U!}^yp"? e H

[2]胡春宏,吉祖稳。论明渠水流边界剪切应力分布规律。第二届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集。中国建材工业出版社,1995年。水利论文G g3x3Up2yPW,|;Bj n

[3]胡春宏,吉祖稳等。复式断面非均匀沙滩槽交换规律研究。中国水利水电科学研究院,1997年。

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[4] Rajaratnam,N.and Ahmadi,R.Hydraulics of Channels with Flood-Plains.J.Hydr.Res.No.1981.水利论文U"ZX pr/I md

[5]杨树清。论矩形明渠流边界剪切应力分布规律。泥沙研究,1993(3).

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