跌坎下游流场的时均流速分布和脉动特性.docx

1、水动力学研究与进展JOURNALOFHYDRODYNAMICSSer.A,Vol.12.No.3Sep.,1997叫5FA辑第12卷第3期1997年9月跌坎下游流场的时均流速分布和脉动特性圭液，李丹勋V曲兆松安凤玲1清华大学水利天亩工程系，北京100084）摘旻本文采用颗检示踪的方法试验研究了趺坎下游主流重新接触床面流区的时均流速分布，流速的脉动强度及各点昧动流速的概率密度分布，试验结果表明，跌坎下游水流分离，具有稳定的漩渴发展,漩漏产生的频率约为呼2秒3次。重新接触点离跌坎的距离约在36倍坎高之间.在主流重新接触床面的流区，素动郭切应力最大，在量测的流区,豚动流速的概率密度接近正态分布。关询

2、取口主理，竺埋在水利.工程中,跌水是一种常见的水流现象，如堰闸出流、河网交汲、江河汇流及入海等都会产生跌坎水流。由于跌坎下游的水流分离，主流在下游一定距离重新接触床面，对局部河床将产生强烈冲刷。为了保持河床稳定和水利工程的安全，需要采取一些工程措施保护跌坎下游的床面。所以对跌坎下游床面颗粒的受力特性及主流重新接触床面流区的水流条件进行研究是有实际意义的。王兴奎等人曾对跌坎下游床面颗粒的受力特性进行过试验研究，得出了颗粒上举力系数的变化规律及上举力的概率密度分布等统计参数OChiangShih试验研究了跌坎下游回流的三维特性，得出主流重新接触床面点离跌坎的平均距离为跌坎高度的4.3倍。流场量测仪

3、器和技术的开发一直是试验流体力学的重要组成部分，颗粒示踪测速（ParticleImageVelocimetry）技术就是近年来发展起来的一种先进技术，花流场髭测中取得了很大的进展,陈景仁对80年代以前的研究成果作,了系统的介绍和评述°、李玉梁等人对近年来用图像处理技术测量流场物理量的研究亦作较全面的介绍在图像处理软件鬲开发方面,L.Lourenco的研究成果处于这一领域的前沿。现有的图像获取和处理大致有三类方法：（1）用高清晰度照相机拍摄照片，再用高分辨率的扫描仪将底片的图像数字化后进行分析:叫（2）用摄像机录取图像，通过图像卡进行分析（3）随着计算机性能的提高和计算技术的发展.一些

4、学者开始采用在线实时采集系统,将带内存的数字式照相机直接和计算机联接.将图像在计算机的屏幕上显示，并将有用的信号存入计算机叱°本文于1996年7月22日收到.国家自然科学基金资助项目.2试验设备和过程试验和基本数据的处理在美国弗罗里达洲立大学流体力学实验室进行。试验是在一个长3、4米、高0.6米、宽0.5米的玻璃水箱中进行，水箱上部装有无级调速牵引架，用其带动固定试验模型、摄像系统和反光镜面的三个平台，试验时由牵引架牵引以使三部分同步运动。试验模型用有机玻璃制成，坎高0.95cme采用18瓦氯粒子激光器作照明光源。反光镜由24个镜面组成一个棱柱形,当其旋转时可提供各种疏率的脉冲光源。

5、示踪颗粒为镀银空心玻璃球，直径0,01mm.比重1.4。图像采集采用高分辨率的照相机每秒钟拍6幅图像采用光学扫描仪将照片的底片数字化,分辨率为每英t1800点.每点的灰度分成256个等级，用FFT计算30、66（高用宽）矩形点破阵的自相关以确定该矩形框内的平均速度。在水箱中的清水中加入示踪玻璃球搅拌均匀，待其静止后开始进行试验，牵引架由计算机控制的无级调速电机带动，以10.85cm/s的速度向前运动，等流场发展稳定后开始照相，每秒钟6幅.每幅曝光4次，由棱柱镜面的转速调节每次曝光间隔，试验采用2、22ms,一组试验拍6秒钟。3时均流场的试验结果试验资料的几何尺度用坎高无量纲化,纵向为丁，垂向为

6、"流速用外流场的均勾速度（即牵引架的运动速度）无量纲化，无量纲的纵、垂向流速分别用表示。3.1流速场和涡场图1为连续瞬时的流线图，每图之间的时间为1/6秒，图幅的时间顺序从上到下。从图中可以看出,水流在坎下分离后产生漩涡，并比较稳定地向下游运动，在一定距离后，其后又产生新的漩涡。漩涡中心的高度随距离逐渐降低，直至分离流逐渐重新接触床面，漩涡亦将因猝发而崩解。图2为与流线图对应的涡觉图，涡虽定义为：图中实线为正的涡最值。虚线为负的涡危值，从图中可以看出，在漩涡中心区.涡危值很大，说明漩涡很强，其变化趋势与流线图中漩涡的变化趋势是一致的。在接近跌坎的近壁流区,涡量为负值，从流线图中可以看

7、出，这一流区存在明显的回流。*图3为图1中近壁流区的纵向流速随时间的变化，横线以上为正，横线以下为负，两横线之间无量纲流速的单位为L定义纵向流速从负值到正值的交点为主流重新接触床面的点,其离跌坎的相对距离用T,表示,则从图中可以依次得出各瞬时流场的C值。从图中可以看出7；值随时间逐渐加大，说明随着漩涡向下游运动，重新接触床面点的位置也向下推移（见图中上面4条线）。但到一定的时候，在其上游又会产生新的重新接触床面的点，并再一次向下游推移（见图中下面3条线）。从图3可确定7，随时间的变化。用主流第一次接触床面的点为重新接触点，其离跌坎的相对距离用X,表示，如图4中实线所示。横坐标T.的单位为每幅图

8、的时间间隔，即1/6秒。图1流线图随时间的变化图2涡量随时间的变化（时间顺序从上到下）Ti图4的圆圈表示漩涡中心离跌坎的相对距离X,随时间的变化。从图中可以更清晰地看出漩涡中心点和重新接触点的变化规律及它们的相对关系。漩涡中心点的位置不断向下游推移,其后一定的距离又会产生新的漩涡，即在图1中同一图内可以看到两个漩涡.漩涡产生的频率约为每2秒3次。重新接触的位置一般在第二个漩涡的下游，但如两个漩涡的间距较大.重新接触点的位置也可能在第一个漩涡的下游，离跌坎的距离X,a36，这与ChiangShih的试验结果为同一范围，重新接触点的变化规律与漩涡中心点的变化密切相关，当漩涡中心点的位置向下游推移时

9、,重新接触点的位置也随之往下推移,离跌坎的距离亦不断增加但到一定的时刻，漩涡突然崩解或因前一漩涡的加速而使两个漩涡之间的距离加大,重新接触点会突然移到距跌坎较近的地方。这样变化的频率大约为每2秒3次。图5两个漩祸之间的距离应随离跌坎距噩的变化图5、为同一图中的两个漩涡之间的距离D,随第一个漩涡离跌坎距离Tq的变化。从图中可以看出，当丁”<4.5时.D,仁2.1,即大致在重新接触点以前，Dx基本保持不变，当T,】>4.5时随7”的增加而加大,这说明在主流重新接触点以后，下部流区存在加速运动，处于下游的漩涡的运动速度比上游的要快一些。3.2时均流速分布图6中的U、V分别为纵、垂向无量纲

10、的时均流速分布，括号中的数字表示该物理量在两格Tx图6纵垂向的时均流速分布理鼠在两格之间的单位距离所代表的数值，如0.2表示一格长度为0.2。与流线图相对应，右上方的主流为向右下流动，而左下方则存在回流和向上的流动，表明其时均值存在一顺时针的回流。从。的分布图可以看出，大约在丁,=5.5时，主流重新接触床面。最大纵向流速约等于1.即接近于外流场的速度，最大垂向流速约为0.1。4脉动流速的统计参数4.1脉动强度与剪切应力纵、垂向的脉动流速为：uU（I）UvV（X）V（2）.式中U（Q、V为瞬时流速。纵、垂向的脉动强度分别为/、":.舄（U.）一uyIV（v（n-v）2,.“'=

11、J”=JN（3）图7为/以的分布图，从图中可以看出，除纵向涎速分布的第一条线存在量测误差外,纵、垂向脉动流速的最大强度大约为o.10.2,比一般两渠水流要大一些，这表明跌坎下游产生的漩涡将增加素动强度。流场中的紊动剪切应力可表示为-=一问，则图7中的云具有素动剪切应力的意义，与图6的时均流速分布的对比可知，在主流和回流的交界流区，素动剪切应力最大.最大值出现的范围和重新接触点的区域大致接近即对水利工程而言，这一部分河床应加以重点防护。4.2度分布如紊动流场为平稳随机过程并满足遍历性的假定，则可用时间序列的实测资料计算各种紊动统计参数，概率密度即是最重要的统计参数之一。将脉动流速正则化，即“/,

12、则其概率密度分布可与标准正态分布进行比较。图8中的圆点（）为7,=0.5，=1.2.3（从左到右）的实测概率密度分布，同时用实线画出了标准正态分布曲线，从图中的对比可以看出，纵向16120.80.40.01.6120.80.4001.61.20.80.4°°2nHHdHMdvnMHHHHHHHkdHMHBrrrTTTynhMHEMyi£ttlTrJ£ux-rfH"56Tr图7脉动强度和剪切应力的二维分布.图§纵向（上图）和垂向（下图）脉动流速的概率密度分布脉动流速的概率密度分布"和垂向的L都接近正态分布；.5姑论.-'

13、;.*在水利工程中，因上游水位抬高而在下游形成跌水的现象极为常见,所以研究跌坎F游的水流运动规律及重新接触点的特性具有重要的意义。本文采用颗粒示踪的方法对这一课题进行了试验研究。试验结果表明；（1）跌坎下游水流分离，形成稳定的漩涡.两个漩涡的间距平均在24倍坎高之间，漩涡产生的频率约为每2秒3次.（2）重新接触点的位置一般在第二个漩涡的下游，离跌坎的距离约为3到6倍坎高，呈周期性地变化,其频率大约为每2秒3次。（3）在主流重新接触床面的流区，素动剪切应力最大，这一段河床应加以重点防护。（4）在所测的流区.脉动流速的概率密度接近正态分布。参考文献1 WangXingKui,FontijnHL.E

14、xperimentalStudyoftheHydrodynamicForcesonaBedElementinanOpenChannelwithaBackwardfacingStep.JournalofFluidsandStructures1993.7：299-318.2 ChiangShihandChih-MingHo.ThreeDimensionalRecirculationFlowinaBackwardFacingStep.JournalofFluidsEngineering,L994,1166)：228-232.3 Ching-JenChen,You-GonKimandWalterJA.

15、RecentDevelopmentsinQuantitativeFlowVisualizationandImagingProcess.HemispherePublishCorporation.1992,17-28.4李玉梁，陈朝泉，余常昭.环境水力学试验研究中的图像处理技术.应用基础与工程科学学报，1993.3<4)：420-436.5I-ourencoLandKrotbapalliA,theAccuracyofVetocityandVorticityMeasurementswithP1V.Expen-mentsinFluids1995*18(421-428.6王兴奎，庞东明，王桂仙.安

16、凤玲.图像处理技术在河工模贝流场It测中的宜用.泥沙研究.7LourencoL»GogineniSPandI-aSalieRT.On-lineParticleImageVelocimeter：AnIntegratedApproach.AppliedOptics.1994.33:2465-2470.TheDistributionsofVelocityandTurbulenceCharacteristicsDownstreamofaBackward-facingStepWangXing-kuiLiDan-xunQuZhao-songAnFeng-ling(DepartmentofHydr

17、aulicEngineering,TsinghuaUniversityBeijing100081)AbstractTheformationofhydraulicdropduetotheriseofupstreamwaterlevelisfrequemlyencounteredinhydraulicengineering.anditisofsignificantimportancetogetacorrectknowledgeoftheflowbehaviorandthecharacteristicsofthereattachmentpointinsuchsituations.Anexperime

18、ntalinvestigationforthispurposehasbeencarriedoutbyusingPIVtechnique.Resultsaresummarizedasfollows：(1)Theseparationofflowtakesplacejustdownstreamothebackward-facingstepandastableeddyformsandmovesdownstream.Aneweddydevelopsoonafterwards.Theaveragedistancebetweentwosequentialeddiesfallsbetween2and4timesofthesiepheight,whilethetimeintervalstaysatabout0.7second.2)Theportionofrcattachmentis.usuallydownstreamofthesecondeddy,36timesofthestepheightawayfromthestep.Reattachmentpointisperiodicallychangedatarateabout3timesevery2seconds.(3) Turbulent,shearstressreachesitspeakinthereattach