挟沙水流近底流速试验研究及随机相位分析.docx

1、【水文淀沙】挟沙水流近底流速试验研究及随机相位分析刘丽板，陈洪凯1,何光春3（1.重庆交通大学岩土工程研究所，重庆400074；2.重庆交通大学应用技术学院，重庆400074；3.重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400042）摘要:在动床挟沙水流条件下，测量了不同流量及不同弯道情况下近底流速瞬时分布的情况，将时域信号通过仲里叶变换转化为频域信号，并运用数理统计的方法对近底流速频域内随机相位的分布进行了研究。结果表明：随机相扃服从正态分布。关键词：时频分析；近底流速；狭沙水流中图分类号：P642.23文献标识码:Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2011.02.

2、022挟沙水流普遍存在于天然河道和人工渠道之中，动床挟沙水流存在着两个反馈系统:一方面，水流可以塑造周界，而周界又反过来影响水流;另一方面,水流携带泥沙，而泥沙的存在又反过来改变水流的物理性质和紊动结构，从而影响其能景损失、流速和含沙量分布。与清水相比，挟沙水流流速分布规律要复杂得多，它不仅与水流条件有关，而且泥沙的存在还反过来影响水流结构,导致能量转换和流速分布发生改变口一刃。因此，挟沙水流的流速分布规律成为了河流动力学中的重要课题之一,一直受到学术界的极大关注3-41o由于近底层水流流速在河口悬沙的水平输送及底部再悬浮过程的研究中非常重要,因此挟沙水流近底流速数据的采集至关重要。-妇，笔者

3、采用模型试验的方法对挟沙水流的近底流速特性进行了研究,通过测量动床挟沙水流近底流速（距离床面1cm）的瞬时分布，对近底流速进行了谱分析，以期为动力场中垂线流速分布及近底泥沙运动临界过程的发生机制研究提供基础数据。1试验方案及测试方法1.1试验系统试验水槽长30m、宽5m,坡度为3%,玻璃水槽长约10m、高约0.9m.净宽1.215m,设置了20m长的引水段来稳定水流流速。整个试验的循环水系统包括泵站、量:水堰、上游调节尾门、循环水廊道等装置。供水系统采用循环供水模式，最大流量为600L/so试验流量为46.4、90.6、158、343.4L/s和527L/so12试验条件垂线流速分布测量是在挟

4、沙水流与槽底铺设的泥沙层相互调整达到一种相对输沙平衡、充分紊流条件下进行的。槽首为矩形薄壁量水堰，宽1.3m、高1.1m,流量达到规定数值时,放水时间控制在15min左右，相对误差控制在±2%,槽尾通过尾门控制模型水位。13流速测量首先在水槽底部均匀铺放80cm厚度的天然沙（粒径5200mm），然后放入清水,通过加大系统的流量来造成槽底泥沙的冲刷，增大挟沙水流含沙最,最终建立一种相对稳定的动床平衡状态，并在流动的稳定段设置固定测流断面及测流垂线，测试断面为4种不同弯道（对应顶冲角度分别为83.87%54.82。、21.71。及2.24。），流速采用自行研制的瞬时流速（谱）采集系统来采

5、样（测速），采样速度设定为4000次/s,频率响应速度为100Hz,采样数据非常可靠。2试验结果分析挟沙水流垂线流速分布曲线见图1（*2=527L/s,断面起点距为0.2m,顶冲角为83.87。），不同顶冲角度情况下近底流速随流量的变化见图2。从测试中发现，近底流速及各测点流速存在强烈的紊流脉动现象。受泥沙颗粒的影响，近底流速可能出现突然增大的现象。从图2中发现，近底流速并未随流量的收稿日期：201401-12基金项目：教育部高校博士点基金责助项目（20080618001）；中国将士后科学基金资助项目（20080430095）。作者简介：刘丽（1979-）,女.吉林舒兰人，讲师，1士，研究方向

6、为泥石沆达动力学及水动力学。E-mail：llwwqqhh图2不同顶冲角度近底流速随流变化曲线增大呈单一的增大趋势，而是有所跳动,原因是动床泥沙颗粒的影响及床底糙率在不断变化。图2不同顶冲角度近底流速随流变化曲线增大呈单一的增大趋势，而是有所跳动,原因是动床泥沙颗粒的影响及床底糙率在不断变化。概率密度函数:自相关函数：标准化后：功率谱密度函数:离散形式:p(z)Cr=Rr/D0=4/J(r)cos2frdr=2hDCo+2m-l,»c。僵)+Cmcos(wk)(6)(7)(8)(9)(10)3近底流速谱分析式中:z=U；r为滞后数为最大滞后数;A=0,l,a2,，3.1频谱分析方法在

7、工程实践中，江湖海浪、地震波、水流脉动等物理现象对结构物的影响都是随机的，即这些现象产生的数据(如地震的速度、加速度、海浪波高等要素，高速水流的流速和压力等)不能用确切的数学表达式进行描述。对于这类随机数据,一般多采用其统计特征值。而对于常见的各态粒径的平稳随机过程,多采用其均值、方差、概率密度函数、自相关函数和功率谱密度函数来描述，这种方法在实际工程中可以解决许多问题。作为平稳随机过程的一个样本函数，对其进行频谱分析IF的最基本步骤是将样本函数进行有限化和离散化，称为一组随机数据。由于进行分析的随机数据是全部记录中的一部分并进行间隔采样而取得的，因此用这组数据来描述数据特性与原始样本函数固有

8、特性之间的差别在于“有限”代替了“无限”，“离散”代替了“连续”。为保证其基本形式满足数学上的“采样定理”，采样间隔h应为h=1/(2/；)(1)式中为奈奎斯特截断频率。对于数据的有限长度匚按下式计算：T=Nt(2)式中为记录的有限长度浏为采样总数。按上述方法采样，分析的最大有效周期为"2,最高频率为九。根据N个随机数据可以估算过程的随机特征,其离散形式为均值：_1NX=用%(3)方差：N_。=身£(尸(4)均方差：a=-/D(5)上述由自相关函数进行傅里叶变换求功率谱的方法即为基本的估计功率谱的方法。功率谱推求方法还有快速傅里叶变换(FFT)和自回归模型等。这些对于提高功

9、率谱的推算速度和精度都有深层意义。3.2挟沙水流近底流速频谱分析结果水流流速信号的采集受许多因素制约，为避免干扰信号,采用了硬件滤波，同时在流速信号采集完毕后对信号进行后期数字滤波处理，以避免高频段干扰低频段。同时，对近底瞬时流速谱进行时域到频域内的转换从近底流速信号频域图中可以看出，随机相位角满足平稳随机过程。通过傅里叶变换，近底流速瞬时信号转换为频域内的信号，以某测点为例,共获得随机相位角数据512组，随机相位角为-229。849。，绘制样本的频率直方图，根据随机相位角的取值范围确定组限、组中值和频数,并绘制经验分布密度函数，尝试使用正态分布对此分布密度函数进行拟合，结果表明其符合正态分布。参考文献：1 舒安平，刘青泉,费俊祥.高低含沙水流流速分布的统一规律J.水利学报,2006(10):1175-1180.2 王元叶，何育.声学多普勒流速剖面仪近底有效流速数据处理初步研究JJ.水科学进展,2008(3):394-399.3 朱长军，张金良,江恩惠，等.明渠含沙水流的垂线流速分布特性研究J.长江科学院院报,2007(5)：1-3.4钱宁,万兆惠.泥沙运动力学M.北京:科学出