射流冲刷试验研究(之二)(李文学,张隆荣,姜乃迁,张翠萍)
关键词:射流;射流强度;冲刷;泥沙;试验
基金项目:“九五”国家重点科技攻关计划项目(98 928 02)作者简介:李文学(1962-),男,黄河水利科学研究院院长,高级工程师。
1 问题的提出
根据J.W.戴莱、D.R.F.哈里曼《流体动力学》[1],水中自由射流时的流速分布为
平面射流
(1) | |
(2) |
轴对称射流
Umax/U0=6.4(d0/x) | (3) |
U/Umax=1/[1+r2/0.016x2]2 | (4) |
式中 Umax=射流中心线上的流速分布;U0=缝隙或喷嘴出口射流流速;2b0=缝隙开度;d0=圆形喷嘴直径;U=射流垂向或径向的流速分布;x=纵向坐标(射流中心线);y=垂向坐标(自射流中心线算起);r=径向坐标。
由式(2)我们可以得到,在平面射流中,当射流垂向流速衰减到中心线流速一半时,即,U/Umax=0.5,则y/x=0.1283。可见其扩展是线性的,U/Umax=0.5这条线与射流中心线的夹角是7.3°;而在圆管射流中,当U/Umax=0.5,由式(4)则有r/x=0.0814,夹角为4.65°。
综上所述,人们可以得出如下的概念:
(1) 平面自由射流中心线上的纵向流速分布与射流距离的0.5次方成反比,而在轴对称(圆形)射流中则与射流距离的一次方成反比。这就意味着在同等条件下前者的射流流速的沿程衰减要比后者慢。同样的出口尺度(d0=2b0)、同样的射流出口流速,扩展到同样距离(x>7.88d0)的断面时,其中心线上的最大流速前者要比后者大。
(2) 就射流的垂(径)向扩展而言,尽管式(2)和式(4)公式的形式不尽相同,但具有一个共同的特征,即其扩展都是线性的。两者比较,平面射流时的扩展角度要比圆管射流时大。
按照自由射流的这种流速分布特征,如果和射流冲刷联系起来,提出的一个问题是,如果采用矩形喷嘴,冲刷效果是怎样的?另一个问题是,不同射流强度下,当喷嘴提离床面不同距离时的冲刷效果是怎样的?针对这两方面的问题,我们进行了一些初步试验研究。下面就这些试验结果进行分析。
2 矩形喷嘴冲刷效果
2.1 圆形喷嘴的试验结论
我们已经对圆形喷嘴的射流冲刷效果进行了试验研究[2]。所得到的有关结论可列举几点如下: