壁面粗糙度突变对明渠流速分布的影响.docx

1、第4卷第4期2006年8月南水北调与水利科技Vol.4No.4Soulh-to-NorthWaterTransfersandWaterScience&TechnologyAug2(X)6壁面粗糙度突变对明渠流速分布的影响张桂欣，杨纪伟，李书芳(河北工程大学，河北邯郸056038)摘要:应用激光测速仪在矩形水槽中实测光滑和粗糙底板以及粗糙度突变情况卜的时均流速分布,根据实测资料分析了粗糙度突变以后流速在内区和外区沿程变化情况，得到粗糙度改变后发展过程中的素流，忒流速在黏性底层区比粗槌度改变前和充分发展的紊流小，而在对数律区代流速增长最快。对)/>0.2的外区，发展中的紊流与充分发展

2、的紊流在外区流速分布有明显的不同，其不同表现可从尾流强度系数|看出|值变化从负慎到正值.当形成新的均匀流后n值趋于常数关键词:粗糙度突变:流速分布;对数律;尼流律中图分类号:TV'67文献标识码：A文童编号：1672-1683(2006)04-0063-03EffectsofSuddenChangeofBedRoughnessonVelocityDistributioninOpen>ChannelFlowZHANGGui-xin.YANGJi-wci.LIShu面g(HebeiUniversityofEngineering,Handon056038.China)Abstract:

3、ALaserDopplerVelocimeterwasusedtomeasurethehour-faveragedvelocityofwalerinarectangularflumewilhthrwallofsmooth,roughandsuddenchange(fromsmoolhlorough)inbed.Accordingtothedata,thechangeofthevelocitywasanalyzedininnerandouterregionsaftersuddenchangedroughness.Theturbulenceafterroughnesschangewasgotten

4、.Itsvelocitywassmallerinviscousboundarylayerthanbeforeroughnesschangeandfull-developodwhileitincreasedfastestinlogarithmicdistribution.Inouterregionwithy/Hgreaterthan0.2,velocitydistribuiionsweredifTcrentfordevelopinglurt>ulenceandfull-developedturbulence,whichcouldbeseenfromdimensionlessparamete

5、rnwithitsvaluechangedfromnegativetopositiveandrantoaconstantwhenformednewevenflow.Keywords:Suddenchangeinbedroughness;velocitydistribution;logarithmlaw;wakeflowlaw1概述由于受到ri然条件.地质条件及人为因素的影响,使得河底泥沙淤积、水草繁盛、河底冲淤严重等问题.这些问题总的w以概化为明染渠底粗糙度变化引起的紊流边界层流动问题。当明渠紊流壁面粗槌度突变时，由于粗槌度的不连续在水流纵向和垂向上的流速分布和紊流特性都会发生变化。在现实T程

6、应用中，人们已经意识到壁面粗捷度突变对明渠流动特性的影响是一个非常重要的问题，但是由于河流流动的夏杂性,对此类问题研究的不是很多。本文采用试验研究的方法，应用激光测速仪量测水流光滑壁面,粗糙壁面和光滑到粗糙突变的悄况下纵向时均流速分布，主要分析了粗糙度突变情况卜的流速分布特性。2试验设备与试验方法2.1试验设备试羚水槽在矩形的玻璃水槽中进行,水槽长12m、宽0.4m、高0.7m。供水系统采用水头恒定的水箱循环供水.流量由水槽的供水管道上的阀门调节，水槽中的水深用尾门调折。光滑槽底板为橡胶板，粗糙槽底板为橡胶板均匀黏贴沙粒。2.2试脸方法试验分别测定粗糙度不变即槽底光滑、槽底板粗糙(k,=0.2

7、1cm)和槽底板粗糙度突变3种情况卜的纵向时均流速分布。粗糙度不变的实稔，断面选取在充分发展的紊流段。粗谜度突变的情况，前段是光滑板,4m以后为黏有均匀沙粒的粗糙板，经测段粗槌板厚度为0、2】cm,即认为&=0.21cm,实臆断面选取在粗糙度突变前和突变点后共选取9个断面，靠近突变点处各断面间距小。各断面布点姻按照槽底部密集，往上渐疏的原则进行。本文实验在突变点后100cm左右，水流11发收榜日期：2006-04-13作者简介:张桂欣(197H.女.山东青岛人.河北工程大学水力学及河流动力学专业硕士研究生。第4卷总第25期南水北调与水利科技2006年第4期(1)各学者所200.1101

8、00y/H0.712.124.238.4614.1021.1631.03n-0.16-0.18-0.070.110.420.420.38展为充分发展的紊流。3明渠紊流流速分布光滑壁面和粗糙壁面的均匀明渠紊流.其流速分布已有很多公认的结果。其中,内区的黏性底层为线性分布，对数区符合对数徐;外区则有较大分歧，一部分学者认为可用尾流函数来修正对数律叫而另外学者则认为仍符合对数律叫在站性底层，线性分布公式为叫u*=y*式中：iT=兰,/=皿一摩阻流速，。一运动黏性系数。对数区中的对数分布律为:u*=-lny4B式中:一卡门常数，一般取值为0.4,8积分常数。得的*和B的值略有差异。在外区，为尾流函数修

9、正的对数流速公式Iyu*=lny*+fi+cu()kh式中:曲普)一尾流函数,可用下式表示h302520315105010100100010000、20.“2y(d(£)=sin，一亍)hkirh图1光滑壁面流速分布2515n10o:0.01图2粗糙壁面流速分布4试验结果分析4.1光滑和粗糙壁面流速分布图1和图2为光滑壁面和粗槌壁面据实测资料得到的典型流速分布图。光滑壁面时，黏性底层符合线性分布。对数区拟合公式为=2.431n+5.19(5)也V从拟合公式中得到=0.41.8=5.19,与大多数的最测结果=0.380.41,8=5.00.55相近。外区流速分布则明显的符合尾流律。粗糙

10、壁面时，对数区拟合公式为UV=2.50)ny-+8.83(6)uk,式中:得到的8同格拉夫得到的fi=8.47±0.90相近外区同样符合对数律，得到尾流强度系数口为0.22。4.2粗糙度突变的流速分布4.2.1内区流速变化"WW0.2时.纵向时均流速u与y的关系如图3所示。水流从水力光滑面流向槽底粗槌的床面时，如图3(a)所示,内层的速度削面是不一样的。在最底层，是黏性底层，此处雷诺切应力近似为零，只有黏性切应力存在，光滑壁面的流速要比粗糙壁面的情况大;黏性底层往上，黏性力逐渐消失，紊流切应力增加，当水流从光滑流向壁面粗糙以后，摩阻流速突然增加，壁面切应力增大,时均流速要比

11、光滑壁面增长的快。图3(b)所示为紊流发展过程中,靠近突变点处，时均流速分布要比远离突变点处大。从(c)、(d)可以看出，在紊流发展区域到充分发展的区域，充分发展的流动与发展过程中的流动相比较，充分发展的流动在黏性底层处速度比发展中的要大，但在对数层速度增长则比发展中的要小。到充分发展以后，水流流速分布变化不再明显。把内区实测资料用对数律分析,在公式(2)中，值都接近0.4,而B值随着粗糙度改变有些波动,其值在611之间。4.2.2外区流速分布对y/>0.2的外区，水流从一种均匀流因粗糙度突然变化后水流流动发生变化，到充分发展的另一种均勾流时,外区的流速分布也随之发生变化。图4和图5为粗

12、糙度突变后发展中的紊流流速分布图和充分发展后的流速分布图。从图中可以看到发展中的水流和充分发展后的水流外区流速分布明显的不同。用尾流律公式(3)来修正对数律，得到的尾流强度系数n值如表1所示。表1尾流强度系故沿程变化从表1可以看出;粗糙度突增以后,n值沿程发生变化，其变化从负值到正值,在紊流发展区，尾流强度系数最小值为-0.18.大约在2倍水深左右处，以后渐渐增大为正值，从14倍水深以后n值逐渐趋于常数,旦为最大值。5结论(1)粗糙度突然变大时，水流从一种均匀流到另一种均匀流转变的过程中，流速在内区和外区的分布也随之变化。紊流发展过程中其在益性底层较光滑段和充分发展段的紊流流速张桂欣等壁面相槌

13、度突责对明梁流速分布的影响-lOrrn30rtn时教-lOrrn30rtn时教5ctn一(-10rm)XtttOOrm)°5cmX30cm对数(5cm)一一对数(30rm)15rm60rm对数(15cm)对'数(60cm)(b)*加n350cm对散(10cm)A220rm.对数(220rm)350cm对数(350rm)对致(350)图3内区纵向时均流速u与y的发展变化情况图4粗糙度突变素流发展区流速分布小，到对数律区则流速增长最快。(2)对时>0.2的外区.其流旋分布可用尾流律来修正，发展中的紊流与充分发展的紊流在外区流速分布有明显的不同.其不同表现可从尾流强度系数n看出，n值变化从负值到正值,当形成新的均匀流后n值趋于常数。参考文献：1Nezu1.andRodiW.OpenchannelflowmeasurementswithalaserDoppleranemometer«J.ofHydraulicEngineeringsProc.ASCE,voL图5粗糙度突变后充分发展区流速分布112,No.5,11986.335-355.(2 Canlos。AH.GrafWH