【摘要】：水流結(jié)構(gòu)對河工模型試驗(yàn)的精度影響重大,床面加糙是河工模型試驗(yàn)中為保證阻力相似而采取的普遍方法,有間距加糙是最常用的床面加糙方式之一,因此開展有間距加糙床面水流運(yùn)動(dòng)相關(guān)問題研究具有重要的理論和實(shí)際意義。本文基于PIV測量試驗(yàn)結(jié)果,對光滑床面以及4種加糙床面的流速結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)特性和加糙阻力進(jìn)行研究,取得了以下成果:(1)有間距加糙床面明渠水流水力特性可分為顆粒區(qū)和粒間區(qū),兩個(gè)區(qū)域的各項(xiàng)水流參數(shù)差異較大。摩阻流速*u和理論床面位置的沿程分布均具有明顯的分區(qū)特性:顆粒區(qū)*u普遍較小,而粒間區(qū)*u普遍較大;顆粒區(qū)的理論床面位置在顆粒頂部以下(0.15~0.35)d范圍內(nèi)變化,粒間區(qū)的理論床面位置在顆粒底部所在的光滑床面。(2)基于PIV水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究了不同粗糙條件下縱向時(shí)均流速U的分布規(guī)律。結(jié)果顯示時(shí)均流速流場呈現(xiàn)明顯的條帶狀分布,時(shí)均流速分布與顆粒間距、顆粒直徑以及排列方式關(guān)系較大。顆粒間距離越小,時(shí)均流速U越小;顆粒直徑增大,時(shí)均流速減小;梅花形加糙床面的時(shí)均流速比矩形加糙床面的時(shí)均流速小,因此梅花形加糙對流速的影響較大。顆粒上游區(qū)域時(shí)均流速垂線分布呈現(xiàn)比較明顯的對數(shù)分布,中下游區(qū)域基本呈現(xiàn)先穩(wěn)定后增大的趨勢。(3)光滑床面和粗糙床面近壁區(qū)縱向及橫向脈動(dòng)流速u、v均呈現(xiàn)清晰的高、低速條帶結(jié)構(gòu)。隨著水深的增大,各類紊流事件的平均概率總體均呈先增大后減小的變化趨勢;加糙顆粒對紊流事件概率的影響主要集中在顆粒頂部以下區(qū)域。床面加糙后,垂向脈動(dòng)流速概率密度分布變化較小,而縱向脈動(dòng)流速的概率密度分布變化較大,分布曲線變得更為尖陡,流速脈動(dòng)范圍更為集中。(4)闡述了紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力、紊動(dòng)能在不同水流條件和粗糙條件下的規(guī)律變化。結(jié)果顯示縱向紊動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)條帶狀分布,距離槽底越近,縱向紊動(dòng)強(qiáng)度越大,在顆粒頂部上方1d范圍內(nèi)達(dá)到最大,然后逐漸減小;顆粒直徑越大,縱向紊動(dòng)強(qiáng)度越小。雷諾應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在顆粒頂部位置達(dá)到最大值;顆粒直徑越大,雷諾應(yīng)力越小。紊動(dòng)能沿水深的變化規(guī)律與縱向紊動(dòng)強(qiáng)度基本一致,最大值出現(xiàn)在顆粒頂部以下1d范圍內(nèi);床面加糙顆粒直徑越大,紊動(dòng)能越小。相同流量條件下矩形加糙床面的紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力和紊動(dòng)能均大于梅花形床面。(5)相對當(dāng)量粗糙度k_(s0)與顆粒大小、間距、排列方式及水流條件等因素有關(guān),當(dāng)流量相同時(shí),顆粒直徑越大或排列間距越小,k_(s0)平均值越大;床面相同時(shí),流量越大,k_(s0)平均值越小;在顆粒大小、間距及流量相同時(shí),梅花形排列的k_(s0)平均值要大于矩形。(6)顆粒區(qū)和粒間區(qū)的阻力系數(shù)f隨k_(s0)的變化均服從冪函數(shù)公式。當(dāng)h/d較小、床面接近大尺度粗糙時(shí),f隨k_(s0)的遞增變化明顯,隨著h/d的增大,f隨k_(s0)的遞增變化逐漸趨緩;在k_(s0)相同的情況下,h/d越小,f增幅愈明顯;在h/d和k_(s0)相同的情況下,顆粒區(qū)的水流阻力系數(shù)要大于粒間區(qū)。
【學(xué)位授予單位】：重慶交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV133
【圖文】：

圖 1.2 加糙后床面流場圖[37]上所述，目前明渠水流紊動(dòng)特性研究的現(xiàn)有成果，考慮顆粒所在縱的某個(gè)特定位置的較多，研究顆粒間沿程變化的較少；考慮單一粗，研究不同粗糙程度對紊動(dòng)特性影響的較少。粗糙床面阻力的研究現(xiàn)狀不同的加糙方式對阻力的研究中，密排加糙研究較早而且比較廣泛糙較少，主要研究集中在梅花形加糙。梅花形加糙阻力規(guī)律較為復(fù)研究了梅花形有間距排列的大顆粒加糙問題，得到唐存本糙率計(jì)算[39]通過水槽均勻流試驗(yàn)，研究了三角塊梅花形加糙糙率大小，推導(dǎo)式；盧漢才等[40]對矩形水槽梅花形卵石加糙進(jìn)行了研究，得到了相公式 n=kd1/6(n 為糙率，d 為顆粒直徑，k 為隨著 L/d 規(guī)律變化的系距)，并認(rèn)為加糙體排列并非越密越好；朱代臣[41]通過矩形水槽試驗(yàn)形排列的 Y 形加糙體和礫石加糙體水力阻力與加糙密度、相對高度

水流泄流能力及輸沙能力。因此，本文選用梅花形和矩形排列加糙床面PIV水槽試驗(yàn)資料，探討不同粗糙程度下水流流速結(jié)構(gòu)、紊動(dòng)特性和床面加糙阻力這三個(gè)方面的變化規(guī)律，總結(jié)分析差異。本文研究所采用的技術(shù)路線見圖1.3：圖 1.3 技術(shù)路線圖1.3.2 本文章節(jié)安排本文共分為六章。論文第一章為緒論，主要闡述了有本文的研究背景及意義，從明渠水流流速分布研究現(xiàn)狀、紊動(dòng)特性研究現(xiàn)狀、粗糙床面阻力研究現(xiàn)狀和 PIV在水流結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀 4 個(gè)方面進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，并結(jié)合研究不足引出本文要開展的主要工作。第二章具體描述了加糙床面明渠水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。詳細(xì)介紹了水槽試驗(yàn)裝置、

第二章 有間距加糙床面明渠水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)第二章 有間距加糙床面明渠水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)2.1 試驗(yàn)裝置2.1.1 變坡水槽選用重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治技術(shù)研究中心 PIV 實(shí)驗(yàn)室高精度整體變坡水槽(長 12m×寬 0.25m×高 0.25m)進(jìn)行試驗(yàn)(圖 2.1)，該水槽具備完善的量測系統(tǒng)可控制來水流量。為減小水槽邊壁接頭對水流結(jié)構(gòu)的影響，水槽側(cè)面和底面均由3.6m 長玻璃板組成，玻璃安裝誤差小于±0.2mm，水槽結(jié)構(gòu)變形小于±0.3mm。水槽入口放置整流格柵，出口設(shè)置合頁式尾門。水槽安裝有水位、流量自動(dòng)控制系統(tǒng)。最大試驗(yàn)流量 20L/s，調(diào)坡范圍 0.1%~1%。試驗(yàn)加糙顆粒鋪設(shè)長度為 8.6m，下游水位通過調(diào)節(jié)尾門來控制。水槽試驗(yàn)方案的平面圖如圖 2.2 所示：

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2784097