河渠均匀流断面上的流速分布

1、河渠均匀流断面上的流速分布要知道河道上准确的流量资料，必须测得准确定的流速。为了测得准确的流速，首先要 了解流速分布规律，这样才能合理地选择施测断面、布设测速垂线上测点的数目和位置，从 而能简便准确地测出垂线上的平均流速。在多沙的河流中，含沙量的分布、水流的挟沙能力、河道中的冲淤，都与流速分布有关。 所以，对于明渠流速分布规律的了解，也是研究泥沙运动的一个基本内容。一、河道过水断面的流速分布河流横断面上的流速分布的影响因素很多，有断面形状、岸壁粗糙度、河流变曲形式、 水流含沙量、冰冻、水草、水深、风力和风向等。通常情况下，均匀流河段上的断面流速分 布，主要受断面形状和边壁糙率影响。图(6-11

2、)是天然河道断面的等流速曲线，该图说明， 边壁附近的流速小，水深最大处的水面附近流速最大。A(a)断面等流速分布流向j u(b)外表流速分布A-A(c)垂线流速分布图6-11天然河道流速分布情况a b cV图6-12矩形断面流速分布图实测的矩形断面上的流速分布也与天然河道一样，边界处流速小，断面中心水面附近流 速大。断面中不同横向位置上的垂直流速分布，也都存在底部流速小、水面流速大的特点。 由于垂线位置不同，靠近边壁的垂线流速分布图形要小些，中间位置的垂线流速分布图最大, 如图(6-12)所示。(a)(b)(c)(d)图6-13不同尺寸矩形断面上的等流速分布图图6-13是不同尺寸的矩形断面上的

3、等流速分布图。从图上看出，最大流速位置随宽深 比0的增加而向水面靠近，而且当宽深比增加得较大时，过水断面中间局部各垂线上的流速 h分布也趋于一致，这说明侧墙对中间局部水流的影响已经很小。所以，对水深沿河宽改变不 大的宽浅式河道，等水深时水流的垂线流速分布可认为是相同的。垂线流速分布的影响因素很多，用一个通用公式来描述是很困难的，因而河渠断面上垂 线流速分布就有各种经验公式，如对数曲线型、抛物线型及椭圆曲线型等。在水文测验中, 对清水、定床宽浅式的河道条件下的明渠流速分布常用的流速分布公式是紊流的对数曲线公 式。二、流速的对数型分布公式第四章中，已经推导出紊流中过水断面上的流速分布对数分布公式，

4、这就是既适用于管 道、又适用于明渠的普朗特一卡门对数公式：U* 0c,u = In y + C(6-27)k式中打一一距河底距离为y处的点流速；摩阻流速，4=J菽，对于宽浅式河道，Rxh；Y水中任一点距河底的距离；C积分常数；k卡门常数，它反映流速分布均匀程度的系数，k值越小，表示流速分布布 愈不均匀。在清水中，=0.360.435, 一般取女=0.40；在天然河道中，卵石河床左= 0.65, 沙质河床60.50。氏值还与含沙量有关。在含沙量不很高的浑水中，Z值随含沙量的增加而 减小，在含沙量很高的河流中，Z值随含沙量的增加而增加。对于河渠中的水流，当无风浪、冰冻和潮汐等外来的影响时，垂线外表

5、点的流速最大, 其流速布如图(6-14)所示。今设。为垂线上的外表流速，】为垂线上的平均流速，为垂线 上的任一点流速。将水流外表处(即y=)的流速劭代入式(6-27)得：u = - nh + C k贝 ijC = ui)- nhk将上述积分常数代入式(6-27)中，那么得明渠中任一点的流速表达式：Vu ()HIn (6-28)k h对于宽浅式河道中，经具体推导可得垂线上平均流速表达式：u =u0-j-(6-29)将式(6-28)减式(6-29),消除外表流速，那么得垂线上任一点流速与平均流速关系式u = u + ln(l + 7)(6-30)k h式(6-30)是对数公式用于河渠中的一般表达式

6、，该式在水文测验和水流含沙量的研究中 应用较多。三、对数流速分布公式的应用点法测速原理从式(6.30)可以看出，当垂线上测点的流速正好等于平均流速时，得：巴（l + ln） = 0因F W0那么必有 k解得：即因F W0那么必有 k解得：即k h+ ln = 0h= eT = 0.368h 2.718y = 0.368/z上式说明，测点流速等于垂线平均流速的位置，是距河底约0.37倍水深，亦即水面下 0.63倍水深处，故在水文测验中常取水面以下0.6/2深处的点流速为垂线平均流速，这也是 一点法测流速的原理。四、对数公式测速与实测资料的比拟黄河下游铁谢站1966年7月23日的一次实测资料：_水

7、面坡降Jz=0.000214；垂线水深h=3m,垂线平均含沙量W = 0.879 kg/m3o参考人民胜利渠实测的k&关系线，求得攵=0.15。垂线上外表流速2m/s,平均流速 =L57m/s；垂线上各点流速见表(6-16)。表67 6 垂线上各点流速值测点位置)0.050.200.400.600.800.94及水面点测点流速w(m/s)1.081.281.621.852.002.12根据上述实测资料对数型流速分布公式进行计算，对宽浅式河道u* = J工 / p - yghJ - 79.80 x 3 x 0.000214 = 0.0793 (m/s)把k=0.15代入式(6-28)得以y0.0

8、793yy= o + In = 2.12 + -In = 2.12 + 0.529 kh0.15hh针对实测流速的各点位置，用上式计算出相应点的流速，计算的结果与实测结果列于表 (6-17)o表67 7测点位置y/hln(y/h)力.y心In k h测点流速(m/s)计算值实测值0.94-0.062-0.032.092.120.80-0.223-0.122.002.000.60-0.511-0.271.851.850.40-0.916-0.481.641.620.20-1.610-0.851.271.280.05-3.00-1.590.531.08从上述计算结果看，除河底附近的计算点偏离实测点的较大外，其它各点几乎都和实测 值相吻合。理论计算的垂线平均流速行为u =() = 2