论文摘要
天然河道、灌溉渠系中的水流均属于紊流,它是一种相当复杂的流动现象。诸多学者通过水槽和现场试验,对紊流运动规律进行探索和研究。但由于紊流本身结构的复杂性和过水断面、粗糙形式的多变性,即使简单的明渠流动,对其流动的描述目前还不尽完善。在实际工程中,U形渠道在我国各大灌区广泛的应用,但U形渠道过水断面流速分布及紊动特性仍处于发展阶段,断面测流技术存在许多基础研究问题有待解决。本文以U形渠道为主要研究对象,旨在通过对U形渠道过水断面流速和浮标侧流技术进行研究,得到U形渠道过水断面流速分布公式和不同填充度下浮标流量公式。试验选用的诺泰克Vectrino+小威龙超声波流速仪,可准确的观测到水流中测点的三维流速,因此可以更好的分析U形渠道三维紊动特性。通过本研究工作得到以下主要结论:1.U形渠道中垂线两侧的流速分布大致对称相等,且最大流速发生在中垂线的自由水面以下;靠近边壁处的流速等值线图近似于边壁轮廓;随着水深的加大,最大流速点位置相对下降;由于断面最大流速发生在水面以下,流速等值线在接近水面时向渠道中心弯曲,随着水深越大,这种变化越明显。2.对无量纲相对流速u/v与相对水深y/h之间存在很好的二次函数关系,并确定了系数a、b、c在不同区域下受到的主要影响因素及其相应的确定函数。3.横向流速分布符合指数函数分布,得到了相对流速v/vm与相对位置2Z/B之间的相关关系和系数m、n的变化范围。通过流速横向分布的概化分析,得到U形渠道中垂线平均流速与断面平均流速之间横向修正系数kh的确定函数。4.三维脉动流速的概率分布均符合正态分布形式。无论测点位置如何,横向的流速概率分布最为集中。三维流速的频率曲线在自由紊流区概率分布相对比较接近,而在近壁强剪切区则相对偏离比较大。从表层到底层,纵向脉动流速的集中区域呈先增大再减小的变化规律,横向、垂向脉动流速的集中区域无明显变化。5.紊动强度沿垂线基本呈三角形态分布,在近自由水面区域纵向和垂向出现最大紊动强度下移现象。相对紊动强度与紊动强度分布近似,只是纵向相对紊动强度值在0附近。6.纵向、垂向雷诺切应力在y/h<0.5时,发生突增突减现象。横向雷诺切应力基本呈线性分布,通过横向雷诺切应力得到的摩阻流速与均匀流公式计算得到的摩阻流速相差较大。7.通过对不同浮标填充度的分析,得到随着浮标淹没深度的增大,虚流量也相应增大。确定了不同填充度下浮标测流的流量公式。