顺直河道垂线流速分布实验研究

谢佳明

重庆交通大学

顺直河道垂线流速分布实验研究

谢佳明

重庆交通大学

为了研究顺直河道垂线流速分布，本文采用水槽实验数据和理论分析相结合的方法，使用EXCEL软件绘制顺直水槽垂线流速分布曲线，通过基于实验数据绘制的顺直水槽垂线流速分布曲线得出有价值的结论。并提出流体力学中几种流速分布公式，以便于与本次实验研究得到结论对比，从而验证研究合理性。

顺直河道；垂线流速；流速分布曲线；抛物线型流速分布公式

一.引言

河道的流速分布极其复杂，目前的研究大多假定水流是恒定的，均匀的，二元的时均流速沿河道纵向分布，即其基本理论及其公式都是建立在顺直河道水流结构的基础上进行的。掌握顺直河道水流运动规律、分布规律，为研究流体力学和实际工作中的应用打下基础。本文就是通过实验来增加对顺直河道水流结构的感性认识，了解顺直河道水流运动规律，分布规律。

二.实验研究基本方案

本文实验研究是用6m玻璃水槽、流速仪、流量及水位量控制系统进行的，测量实验横断面流速，垂线流速，沿程水位及水面坡降。

在本文实验测量中，根据工程水文学关于河道测量的浮标数不少于5条的要求，垂线上的测量点用五点法或六点法，其中，水槽中间垂线上的测量用10点法，目地是为了更好验证垂线流速分布理论。

同时应用流速的指数分布理论，对数分布理论，抛物线分布理论作为本实验的理论依据。把本次实验得到的实验值与用经验公式计算的理论值进行对比，也可以验证本次实验研究的合理性与可行性。

三.实验步骤

第一步：打开进水阀门向水槽中注水。第二步：在流量控制系统中输入设入的流量，从而使水槽水位提升。第三步：控制尾门附近的水位读数。第四步：当流量计和尾门的水位稳定后即开始测量水槽水深和沿程水位。第五步：将水槽水深等分，在横断面上间隔3-5cm测量0h,0.2h,0.4h,0.6h,0.8h,h等各点流速。第六步；改变流量水深，继续按3-5cm间隔施测横断面上0h,0.2h,0.4h,,0.6,0.8h, h等各点流速和沿程水位。第七步：关闭仪器，进行数据处理与分析。

四.实验测量数据记录

分别在距离水槽左边缘5cm,10cm,15cm,20cm处选择4条测速垂线，并在距离水面，水深分别为1.5cm,2.5cm,3.5cm,4.5cm, 5.5cm,6.5cm处用旋桨式流速仪测量流速，每组测量3次，求其平均值作为该处流速，数据记录表如下：

五.实验数据处理与分析

（1）用EXCEL软件进行实验数据分析，计算出各组测量的流速平均值，并点绘横断面流速分布曲线，如下图所示：

（2）用数学公式（指数或对数流速分布公式）描述所点绘的曲线。

采用对数型流速分布公式（卡曼—普兰特尔公式）进行描述：

umax-水面处的最大流速,m/s;

琯u-位于相对水深y/h处的时均流速,m/s;琯

u*-摩阻流速,m/s;

琯κ-卡曼常数,静止清水中取为0.4;

式中，琯h-水深,m;

琯y-距离床面的距离;

采用抛物线型流速分布公式进行描述：

式中，m—常数，其值取为20—24。

该式是根据大型水槽实验资料推导出来的，应用较为普遍；并且该式可计算出河底的流速为一定值，而上述的对数流速分布公式不能用于河底处的流速计算。

六.实验数据分析及结论

通过实验数据曲线分析得到如下结论：

（1）通过本次水槽模型试验使河道垂线流速理论公式在实验中得到验证。

（2）通过实验数据曲线的绘制可以得到：水槽垂线流速接近抛物线型。

（3）从纵向流速分布来看，最大流速点位于2.5米水深处，垂线流速为2.7dm/s，即最大流速位置在距离水面距离为0.2倍水槽水深处。

（4）当水深小于2.5米时，垂线流速随着水深的增大而增大；当水深大于2.5米时，垂线流速随着水深的增大而减少。

（5）从断面横向流速分布来看，最大流速分布在中部测速垂线处。

[1]喻涛，兰艳萍等.河流动力学实验教程[M].北京：北京交通大学出版社，2016.

[2]张瑞瑾.河流泥沙运动力学[M].北京：中国水利水电出版社，2014.