2022年不同水深流速分布及推力计算

1、一、流速分布及运算 自然界中的水流大部分是湍流；湍流是一种高度复杂的非线性流体运动,在空间中不规章、时间上无秩序,具有在运动过程中液体质点不断混掺的运动 特性；实际中流速运算一般依据实测数据进行推导,具有代表性的是“ 六点测 流法” , 2022年之后,声学多普勒流速剖面仪开头被接受,随后有部分学者提 出了相应的“ 多点法测速运算” ；水流由于受到层间切应力的作用,其流速沿水深而变化,河底流速小,水 面流速大,河底流速受河床的粘滞作用,基本为零；理论上水流流速由下往上 可分成直线层、过渡层、对数区和外层区,其相应的运算公式如下： 一 直线层 水流为层流（层流是流体的一种流淌状态,它作层状的流淌

2、；流体在管内 低速流淌时显现为层流,其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动；流体 的流速在管中心处最大,其近壁处最小；管内流体的平均流速与最大流速之比 等于 0.5 ；）,只受粘滞切应力,此时流速可按下式运算：y = ghJ J：水力坡度； 0 y 0.5%；水力坡度,又称比降,是指河流水面单位 距离的落差,常用百分比、千分比、万分比表示； 二 过渡层水流由层流向紊流过度,既受粘滞切应力,又受紊动切应力；运算方法：近似依据直线层或者对数层公式运算；（三）对数区水流为紊流,主要受紊动切应力影响,流速分布呈对数曲线规律 , 一般计 算公式如下：u y= A .lgy + By 为运算其中 A 和

3、 B 是系数,与床面粗糙情形有关,通过实际资料确定,点至河床的距离；爱因斯坦提出的具体运算公式如下: = 5.75lg30.2yxyk s其中 k s为床面粗糙高度,可取床沙代表粒径；x 为反映对流速分布实际影响的系数,与k s值有关； : 为近壁层流层的厚度；直线层、过度层、对数区合称为内层区,区内流速分布主要受床面的影响；（四） 外层区 水流为紊流,其流速分布除受床面的影响外,仍要受到上游来流条件和上部 边界条件的影响,因而其分布规律偏离对数曲线而有一流速增值,运算公式的 一般运算形式为：= A .lgy + B + k . y h.式中, 为尾迹强度系数； k 为卡门常数； 料确定； y

4、 意义同前, h 为断面水深； 五 实际应用为函数符号； 和 k 通过实测资在实际中,通常将对数区的流速分布公式推广到全部水深,依据全部水深上 的流速分布资料来确定对数流速分布公式中的系数,再将对数流速分布公式用 到全部水深上去；在宽深比介于 6 至 10 之间的的河槽中,断面上任一点的水流不仅受到来自河 底紊动涡体的作用,仍同时受到来自河岸紊动涡体的作用；纵向流速不仅沿水 深变化,沿断面横向分布也是不均匀的,接近河岸的垂线与河心的垂线流速分 布相差较大,岸边垂线的最大流速往往不在水面上；河槽过于窄深时,河中心 垂线的最大流速也不在水面；（六）六点实测法运算垂线平均流速一般的流速垂线分布形式如

5、右图所示；设 六点法测量的水深位置分别为 h0 h 1 h 2 h 3 h 4 h5, 对应的流速分别为 V0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5, 从表 层到底层两层之间面积为分别为 S0 S 1 S 2 S 3 S4 S 5 ,就用积分方法得到的垂线平均流速 V 运算公式如下： V=1 .S 0 +S 1 +S 2 +S 3 +S4+S5 在传统的六点法测流中,通常是h0=0,h 1=0.2H,h 2=0.4H,h 3=0.6H,h 4=0.8H,h 5=H, 就上式可优化为1 V= 10V0+2（V1+V2+V3+V4）+V5 ；如需运算某一点的流速,就依据上述测得值所汇出的函数图像

6、,可以粗略估 计某一点的流速；利用传统六点法运算垂线流速平均值或是某一点流速时,因这种数据处取用 的原数据较少,因此会缺失垂线平均流速运算值的精度；而声学多普勒流速剖面仪可以测得一条垂线上没1m甚至小于 1m一层的流速数据,对于水深10m以上的水域,在一条垂线上可以测得10 层以上的数据,因此对应于上述六点分析法,可以类似地推导出多点分析法,从而大大提高运算结果的精度；二、水流力运算（一） 水流推动力水流推动力作用方向为顺水流方向,作用位置为水流底部,水流推动力反应了 河床面物体是否被推移,可用来运算河床冲刷；具体运算公式为：. 1= wHJ 式中, P1为水流推动力； w 为水的容重； H为水深； J 为水力坡度；图 2 水流推移力示意图图 3 河床不同土质的临界推移力 二 水流对阻流面的冲击力图 4 水流冲击力示意图作用方向：水平向：作用位置：阻流面高度的一半；2 1 - cos P2 = k .w .h . g . sin 式中： P2- 水流推动力（ kN/m）；1.0 ,k- 绕流系数,对实体坝而言,坝身宽度与坝长相比小得多时取宽度与长度大致相等时取 0.7 ；w- 水的容重（ kN/m3）；h- 阻流面高度 m, 不漫水时为阻流面前的水深,漫水时为阻流物的 高度； g 为重力加速度：- 水流冲击方向与阻流面间的夹角：为靠近阻流面处水流