不同水深流速分布及推力计算

、流速分布及计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z在空间中不规则、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。实际中流速计算般根据实测数据进行推导，具有代表性的是〃六点测流法〃，2014年之后，声学多普勒流速剖面仪开始被采用，随后有部分学者提出了相应的〃多点法测速计算"。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z其相应的计算公式如下:（―）直线层水流为层流（层流是流体的一种流动状态，它作层状的流动。流体在管内彳氐速流动时呈现为层流，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，此时流速可按下式计算:My二阙J：水力坡度；°syvo5气水力坡度，乂称比降，是指河流水面单位距离的落差，常用百分比、干分比、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，乂受紊动切应力。计算方法：近似按照直线层或者对数层公式计算。（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：A•Igy+B其中A和B是系数z与床面粗糙情况有关，通过实际资料确定，y为计算点至河床的距离。爰因斯坦提出的具体计算公式如下：P30.2y—=5.751g(x)其中ks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，与石值有关；6: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。外层区水流为紊流，其流速分布除受床面的影响外，还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z计算公式的一般计算形式为：zP*=A•Igy+B4•a)7k\hP*式中，兀为尾迹强度系数：k为卡门常数；3为函数符号；"和*通过实测资料确定。y意义同前，h为断面水深。（五）实际应用在实际中，通常将对数区的流速分布公式推广到全部水深，根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，还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z河中心垂线的最大流速也不在水而。（六）六点实测法计算垂线平均流速AL4)Al流;柬一般的流速垂线分布形式如右图所示。设八点法测量的水深位置分别为h0hih2h3hih5.对应的流速分别为V。VxV2VsV,v5，从表层到底层两层之间面积为分别为SoSiS2S3S.Ss,则用积分方法得到的垂线平均流速V计算公式如下:AL4)Al流;柬V_?T(So+Sx+S:+S3+S4+S5)在传统的六点法测流中，通常是ho=O/hx=O.2H,h2=0.4H,h3=0.6HZh严0.8H,二H,1则上式可优化为V=iolvo+2(Vx+V.+Vs+V,)+V5]o如需计算某一点的流速，则根据上述测得值所汇出的函数图像，可以粗略估计某一点的流速。利用传统六点法计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，因此会损失垂线平均流速计算值的精度。而声学多普勒流速剖面仪可以测得一条垂线上没Im其至小于Im—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z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，从而大大提高计算结果的精度。二水流力计算(—)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,可用来计算河床冲刷。具体计算公式为：式中，P1为水流推动力；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(-)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。V2(1-COSCX)P2*Y/h*孑飞丁式中：P2-—水流推动力(kN/m);k—绕流系数对实体坝而言，坝身宽度与坝长相比小得多时月1Q宽度与长度Z大致相等时取0.7;Yw.—水的容重(kN/n?);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一一水流冲击方向与阻流面间的夹角：u为靠近阻流面处水流断面的平均流

速(m/s),与