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(shù)據(jù)和理論分析相結(jié)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(shù)據(jù)繪制的順直水槽垂線流速分布曲線得出有價值的結(jié)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(jié)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(fù)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(yīng)用打下基礎(chǔ)。本文就是通過實驗來增加對順直河道水流結(jié)構(gòu)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(jù)工程水文學關(guān)于河道測量的浮標數(shù)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(yīng)用流速的指數(shù)分布理論，對數(shù)分布理論，拋物線分布理論作為本實驗的理論依據(jù)。把本次實驗得到的實驗值與用經(jīng)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(shè)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(shù)。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(guān)閉儀器，進行數(shù)據(jù)處理與分析。

四.實驗測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄表如下：

五.實驗數(shù)據(jù)處理與分析

（1）用EXCEL軟件進行實驗數(shù)據(jù)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(shù)學公式（指數(shù)或?qū)?shù)流速分布公式）描述所點繪的曲線。

采用對數(shù)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(shù),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(shù)，其值取為20—24。

該式是根據(jù)大型水槽實驗資料推導(dǎo)出來的，應(yīng)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(shù)流速分布公式不能用于河底處的流速計算。

六.實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

通過實驗數(shù)據(jù)曲線分析得到如下結(jié)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(shù)據(jù)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.