明渠均匀流糙率系数及紊动特性试验研究

论文摘要

明渠均匀流是明渠水力计算中最基本的问题,对其水流运动基本规律的研究是明渠水流的基础理论和前提。糙率系数作为水力计算中一个至关重要的参数,对其变化规律及取值范围的研究是进行各种水利工程设计、施工、运行和管理过程中的重要工作。本文研究的主要对象是矩形渠道明渠均匀流,旨在通过对水力光滑壁面和三种不同粗糙程度的人工加糙壁面的阻力规律及紊动特性进行研究,得到明渠均匀流中糙率系数和紊动强度的变化规律。试验中采用诺泰克Vectrino+小威龙超声波流速仪可测得水流的三维流速,因此能够分析出三维相对紊动强度的分布规律。通过本研究工作得到以下主要结论:1.明渠均匀流中,当渠道断面形状和壁面粗糙程度一定时,糙率系数并不是恒定不变的常量,它会随着过流流量的增大而呈对数减小趋势,随着宽深比的加大而呈对数增大趋势;对于不同粗糙程度的壁面,在同一流量条件下的糙率系数会随着相对粗糙度的增大而增大。对于不同粗糙壁面条件下的糙率系数与弗汝德数的关系遵循同一指数变化规律,糙率系数随雷诺数的增大而减小。2.试验水流处于明渠水流的过渡粗糙区紊流,通过类比管流过渡粗糙区紊流的阻力系数计算公式,并利用明渠水流与管流间水力要素的相互转化关系,推导出符合试验条件下的明渠水流糙率计算公式,平均误差为3.02%。3.明渠均匀流中水力光滑壁面的时均流速分布满足对数型流速分布公式,依据试验资料推得的卡门通用常数为0.4875,略大于尼古拉兹试验中的0.4。水力粗糙壁面条件下的时均流速分布也满足对数型流速分布公式,不同粗糙壁面对应的试验常量是不一样的,而且对于横向流速分布的分析均反映出糙率系数对时均流速分布的影响,使流速分布更趋于均匀化。4.紊动强度的变化规律为:同种壁面相同流量条件下,测点位置距离渠底床面越远,紊动强度越小;同种壁面不同流量时,同一测点位置的紊动强度会随着流量的增大而增大。相对紊动强度是紊动强度与主轴时均流速的比值,它的变化规律为:水力光滑壁面的相对紊动强度与y h的相关关系分为三个区域讨论,水力粗糙面的相对紊动强度与y h的相关关系分为两个区域讨论。对于不同壁面的相对紊动强度大部分范围内是随着y h的增大而减小的,试验条件下的相对紊动强度在三个方向上的最大值均出现在y h = 0.2附近,当壁面越粗糙,相对紊动强度的最大值也相应的增大。?5.对于明渠均匀紊流壁面切应力和摩阻流速的研究表明:同一壁面条件下,流量越大,壁面切应力越大;同一流量条件下,壁面越粗糙,壁面切应力越大。由于摩阻流速与壁面切应力成正比关系,因此摩阻流速的变化规律与壁面切应力是一致的。试验条件下的明渠均匀紊流,不同情况下的壁面切应力和摩阻流速变化范围很小,分别为0.804-1.205 N m 2,和0.028362-0.034737m s。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 糙率系数的研究方法及国内外研究概况
• 1.2.1 糙率系数的研究方法
• 1.2.2 国内外糙率研究概况
• 1.3 明渠均匀流流速分布研究概述
• 1.3.1 对数型流速分布公式
• 1.3.2 指数型流速分布公式
• 1.4 壁面切应力及摩阻流速研究概述
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 试验方案及试验仪器设备简介
• 2.1 试验布置
• 2.2 试验方案
• 2.3 试验仪器设备简介
• 2.4 试验步骤
• 第三章 糙率系数的试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 试验成果分析与讨论
• 3.2.1 不同粗糙面下的水面线
• 3.2.2 不同粗糙面下糙率与流量Q的关系
• 3.2.3 不同粗糙面下糙率与宽深比B / h 的关系
• 3.2.4 不同粗糙面下糙率与弗汝德数Fr 的关系
• 3.2.5 不同粗糙面下糙率与雷诺数Re 的关系
• s / R 的关系'>3.2.6 不同粗糙面下糙率与相对粗糙度K_s / R 的关系
• 3.2.7 明渠水流的阻力系数及糙率公式拟合
• 3.3 本章小结
• 第四章 明渠均匀流紊动特性分析
• 4.1 概述
• 4.2 试验结果及分析
• 4.2.1 明渠均匀紊流的时均流速分布
• 4.2.2 明渠均匀流紊动强度分析
• 4.2.3 壁面切应力及摩阻流速的分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 结语与展望
• 5.1 本研究的创新点
• 5.2 本研究的主要结论
• 5.3 研究的不足及未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介