不同水深流速分布及推力计算

一 、 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，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。实际中流速计算一般根据实测数据进行推导，具有代表性的是“六点测流法”，2014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，水面流速过渡层、对数区和外层区，其相应的计算公式如下：(一)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。流体在管内低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：μ =√ghJyJ：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。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：u=A?lgy+BμyABy床的距离。爱因斯坦提出的具体计算公式如下:μ=5.75lg(30.2yx) μy ksksx与?ksδ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，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，计算公式的一般计算形式为：π yk=A?lgy+B+ ?ω( )k∗ h式中，π为尾迹强度系数；k；ωπkyh(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去。610面。（六）六点实测法计算垂线平均流速一般的流速垂线分布形式如右图所示。设六点法测量的水深位置分别为h0

hhhh1 2 3 4h V5,

VVV1 2

VV4 5层到底层两层之间面积为分别为S0

SSS1 2 3SSV4 5计算公式如下：V=1(S+S+S

+S+S+S)𝐻 0 1

3 4 5h=0,h=0.2H,h=0.4H,h=0.6H,h=0.8H,h=H,0 1 2 3 4 5V=1[V+2（V+V+V+V）+V10 0

1 2 3 4 5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1m1m10m10二、水流力计算（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，可用来计算河床冲刷。具体计算公式为：𝑃1=γwHJ式中，P1为水流推动力；γw为水的容重；H；J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。P2=k?γw

?h?υ2?(1−cosα)g sinα式中：P2---水流推动力（kN/m）；k---1.0，0.7；γw---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：α---水流冲击方向与阻流面间的夹角：υ为靠近阻流面处水流断面的平均流速（m/s），与水流的压缩程度有关，可按下式进行计算：υ=