结题报告样板.docx

《结题报告样板.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《结题报告样板.docx（35页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、项目编号: 武汉大学国家大学生创新创业训练计划项目结题报告弯道汇流区水面形态和三维流动结构的实验研究院（系）名称：水利水电学院 学 生 姓 名：胡榴烟 揭梦璇 曾强 高仕达 肖舟 指 导 老 师：黄社华 教 授二一三年九月NO.: CONCLUDING REPORT OF PLANNING PROJECT OF INNOVATIVE EXPERIMENT OF NATIONAL UNDERGRADUATEEXPERIMENTAL RESEARCH OF THE WATER SURFACE ELEVATION AND THREE DIMENSIONAL FLOW STRUCTURE OF BEN

2、DING CHANNEL JUNCTIONSCollege ： school of water resources and hydropower engineeringName ： Hu Liuyan Jie Mengxuan Zeng QiangGao Shida Xiao ZhouDirected by ： Huang Shehua Professor September 2013郑 重 声 明本人呈交的结题报告，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本报告的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本报告所涉及的研究

3、工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本报告的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要目前全球对于天然河道中大量存在的弯曲河段与顺直支流河段相交汇的汇流区水流特性研究，除有少量的原型观测资料分析外，少有系统的试验研究成果。就弯道水流而言，以往国内外学者对于单一弯曲型河道水流运动特性研究较多；就汇流而言，“Y型交汇口”以及“支流斜接式”交汇口研究较多；而交汇口与弯道相结合的这一自然界普遍河流交汇口形式却研究较少。本项目将交汇口与弯道相结合，以研究弯道交汇口处的水流特性。整体的研究和实验内容大致可分为三个方面：（1）汇合口水面形态特性研究。（2）汇合口区域三维流动结构

4、研究。（3）汇合口区域紊动切应力分布研究。与此同时，我们采取了以下实验步骤来完成实验：（1）资料收集，了解实验相关内容。（2）确定实验方案，进行实验。（3）依据实验数据，进行数据处理，对前期成果进行检验、改善与总结。（4）完成一至两篇论文。（5）完成项目报告。本项目基本按预期计划实施，以上步骤已完成。通过对实验数据的处理，对于不同的研究方向，我们一共撰写了四篇论文，其中“Averaged Flow Pattern And Three Dimensional Geometric Configuration of Curved Water Surface in Confluent Bend Cha

5、nnel”已被2013年在成都举办的水利学国际会议收录。关键词：弯道汇合口；水面形态；汇流比 ABSTRACTBy now，we already have little researches about the features of rivers in confluence areas. While，in addition to have a small amount of prototype observation data analysis outside, rare system experiment research results exist. In terms of bend c

6、hannel flow, experts mainly focus on simple bend channel flow; as to the river confluent flow, they have more research on the “Y style river confluent” and the river confluent where branch join into the straight main channel. But they fail to combine tilburies with curves，which is the most common ph

7、enomenon in rivers.So the river confluence and the bend channel are combined in this project to research the flow features of the confluent bend channel. The following three aspects are the main research points.（1）Confluence areas surface morphology characteristic research;（2）Confluence areas three-

8、dimensional velocity distribution;（3）Confluence areas turbulent shear stress distribution.And we undertook these steps to fulfill our experiments：（1）Collecting the information about the project.（2）Making plans about the experiments and conducting the experiments.（3）Processing data and summarizing th

9、e achievements.（4）Accomplishing the papers.（5）Finishing the concluding report.This project is mainly conducted according to the scheduled progress, and the above research steps are all accomplished. Based on the experiment data, four papers relating to different research points are written. And amon

10、g them, the paper titled “Averaged Flow Pattern And Three Dimensional Geometric Configuration of Confluent Bend Channel” are published on the “35th IAHR World Congress”.Key words: Confluence bend channel；Surface configuration； Confluence ratio目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 弯道汇流区的研究现状11.2 研究弯道汇流区水面形态和三维

11、流动结构意义11.3 本课题的研究内容及技术路线21.3.1 研究内容21.3.2 研究步骤2第2章弯道汇流区水面形态和三维流动结构实验内容32.1实验设备32.2弯道汇流区实验装置52.3水面形态和三维流动结构实验方案步骤6第3章弯道干支流汇合口水流运动与水面形态83.1数据可靠性分析83.1.1 流量对比检验83.1.2 垂向流速分布检验83.1.3 紊流特性检验93.2弯道干支流交汇河段表面流动形态试验研究93.2.1弯道干支流交汇口水面等高线分布特性93.2.2 弯道干支流交汇口水面横比降分布特性103.2.3 弯道干支流交汇口水面纵比降分布特性123.2.4弯道交汇口水面流速结构分析

12、143.3弯道干支流交汇区水流三维流动结构研究163.3.1弯道交汇口不同高程水平断面流速结构分析173.3.2弯道交汇口不同垂直过流断面流动结构分析183.4弯道汇流区水头损失和紊动特性的研究203.4.1 弯道汇流区水头损失的分析203.4.2弯道汇流区紊动特性的研究22第4章 结论254.1弯道干支流交汇河段表面流动形态特征254.2弯道干支流交汇区水流三维流动结构特性254.3弯道汇流区水头损失特性和紊动特性26参考文献27致 谢28第1章 绪论1.1弯道汇流区的研究现状对于天然河道中大量存在的弯曲河段与顺直支流河段相交汇的汇流区水流特性研究，目前除有少量的原型观测资料分析外，少有系统

13、的试验研究成果。对汇流口水流仍然存在很多问题需要解决：对“Y”形汇流口特别是弯道汇流口的研究较少；汇流口水面形态的研究存在争论1；有无螺旋流及螺旋流形式存在争议2；实验室研究成果与野外实测成果存在差异。就弯道水流而言，以往国内外学者对于单一弯曲型河道水流运动特性研究较多，而没有将交汇口与弯道相结合以研究自然界这一普遍河流交汇口形式。对于交汇河口段水流运动3，仅限于对顺直型干流斜接式交汇和“Y”型交汇的情形进行过研究4，而对于更为接近实际的弯曲型干流与支流交汇河段水流特性的研究却很少，这远不能满足工程实际的要求。而且以往的研究主要是针对各种不同几何形状汇流口及水流情况，根据动量或能量原理进行研究

14、分析，得出近似的数学表达式，并利用有限的量测资料进行验证。这些研究成果大多局限于一维或二维水深及流速变化，并且大多数研究所获得的流速资料过少或甚至根本没有进行量测，离交汇水流真实的三维流动特性问题完全解决还有一定距离。1.2研究弯道汇流区水面形态和三维流动结构意义弯道是河流的常见形态，弯道干流与支流交汇河段是组成河网或者流域的基本单元。随着经济社会的发展，许多位于两江汇合处的大中型城市的工业生产和人民生活与汇合口区域水流运动及其中含有物质输运特性的关系愈来愈密切。例如泥沙淤积与港口码头建设的关系，各类污染物排放与水生态环境及城市居民生活用水的关系等。在弯道干支流汇合处，由于干支流两股水流相互顶

15、托，加上弯道自身环流的作用，使得汇流区水流的紊动掺混作用强烈，流态紊乱，能量损失较大，泥沙可能在汇合口处大量淤积，形成河口浅滩或江心洲，严重影响这些特殊河段的船舶航行和港区的正常作业。在汇合口区域水生态环境方面，1996年Gayoso5发现汇流口水华与强烈的温度梯度及汇流口漩涡有关。1999年Braaten6证实,支流的入汇可使汇流口鱼类种类增多。2004年Fernandas7等人发现交汇河流对鱼种类的多样性有重要的影响。至于汇合口区域的污染物扩散问题，则更加复杂，而且污染物的扩散问题又是城市城市生活用水取水口以及污水排放口设立所必须考虑的问题。因此，研究干支流汇合口河段的水流运动特性，不仅对

16、于加快航道和港口码头规划建设、河流生态环境保护、城市生活用水安全、推动流域经济增长具有十分重要的参考意义，同时对于丰富和发展航道水力学、推动航道整治和河流水环境评价及修复的理论创新和技术进步也具有重要的学术价值。1.3 本课题的研究内容及技术路线1.3.1 研究内容本项目整体的研究和实验内容大致可分为三个方面：（1）汇合口水面形态特性研究根据实验仪器ADV采集的数据绘出各试验组次的纵横向水面线，分析佛汝德数、雷诺数和汇流比变化对水面线及比降的影响，进而研究水头损失与上述参数的相互关系。（2）汇合口区域三维流速分布和紊动特性研究按预定测量计划，用ADV 仪器测量汇合口三维流速分布，掲示汇合口区域

17、的三维流动结构，并分析雷诺数和汇流比变化对纵向流速分布、断面旋流强度和分离区尺度等的影响。（3）汇合口区域紊动切应力分布研究根据实验数据分析床面紊动切应力随汇流比等参数的变化规律。1.3.2 研究步骤（1）资料收集，了解实验相关内容（2）确定实验方案，进行实验（3）依据实验数据，进行数据处理，对前期成果进行检验、改善与总结（4）完成一至两篇论文（5）完成项目报告第2章弯道汇流区水面形态和三维流动结构实验内容通过弯道水槽概化模型试验，实验研究干支流不同汇流比情况下弯道汇合口水流的运动规律，其中重点测量和分析汇合口区域的流态和流速分布、水面特征、水头损失以及水流的紊动特性。2.1实验设备本实验主要

18、采用声学多普勒测速仪（ADV）测量水流三维流速分布。该仪器虽为接触式流速仪，但对所测的取样点没有干扰或干扰很小，能够直接测量三维流速，其测量精度较高。ADV主要由测量探头、信号调理和信号处理3个部分组成。测量探头由3个l0MHz或16MHz的接收探头和一个发射探头组成，3个接收探头分布在发射探头轴线周围，它们之间的夹角为120。接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之问的夹角为30，采样体位于探头下方约5cm，这样可以基本上消除探头对水流的干扰。信号调理器由检测微弱反射信号的模拟电路组成，数字信号处理由一个单独电路板完成，主要针对输出频率为2550Hz的实时三维流速测量值的计算。ADV的信号采集

19、和各种流动参数处理由与ADV相连的计算机完成，它提供的数据文件为文本文件，可方便地由Excel进行处理。在实际测量中需要需要对ADV的几个参数进行设置：采样频率、采样个数和最大流速。经过试验发现，当设置采样频率为50 Hz，采样个数为3000时，采集的样本可以较好地反映水流状况。对于10 MHz的ADV来说，标准的流速范围是+/-10 cm/s至+/-50 cm/s。在同一点选择同样采样频率时.不同流速范围对实验点流速值的影响规律为，当最大流速设定为比实测流速高一级别的流速时，流速测量数据的收敛性为最佳，最大流速的设定值与实际流速偏离越大，测量的流速数据离散性也就越大。在试验中，频移是由水中粒

20、子的运动产生的(要求试验用的水不能是纯粹的清水，需含有一定的颗粒物)，它们所引起的频率变化称多普勒频移。其测速原理就是多普勒效应。ADV的测量很重要的参数是采样体距离发射探头约为5cm，是一个圆柱体(体积为0. 8m3)，由探头发射超声波，遇到控制体后反射，并由接收探头接收反射的信号，因此，ADV测量的实际是控制体与发射探头的相对运动速度，如图2.1所示。ADV采用脉冲相干处理技术，即发射探头发出两个时间滞后分离的脉冲，测量出每一个返回脉冲的相位，两个脉冲之间的相位差正比于水中粒子的速度，据此可求出水中粒子的速度，从而得出水流速度。图2.1 ADV测速原理发射探头发出一束已知频率的声音脉冲，并

21、在水中沿其声速轴传播，当脉冲通过采样体时，声音能量在所有方向上由水中的粒子反射，反射的部分能量沿接收探头轴被ADV的接收探头接收，并由信号调理部分测量出频率的变化，再由信号处理部分计算出水流的三维流速。ADV的测量探头有三种，如下图2.2所示，俯视探头、侧视探头和仰视探头，本文试验只用了仰视探头。图2.2 ADV三视探头电磁流量计，用于测量主支流流量，流量计由中德合资上海光华爱而美特仪器有限公司生产，型号为IFM4080K+F,量程为0-50L/s,测量精度为+0.3%。2.2弯道汇流区实验装置本实验装置由水循环系统、流量调节系统、测量系统及辅助设备组成，如图2.3所示。其中主槽宽1m，支槽宽

22、0.3m，弯道中心线半径为2m，弯道转角为1800，支流与弯道干流交汇角为600，交汇点位于弯道900圆心角断面处。支流与干流上游设有稳流栅，干流下游设有尾门以控制水位。支槽为矩形断面水槽，长度为3.5m，坡度为1/1000。主槽为矩形断面水槽，长度为4m，直段坡度为1/2000,弯段坡度为1/1250。主槽弯道段，支槽均为有机玻璃糙率为0.008，主槽直段为混凝土制作表面抹平糙率为0.015。图2.3 实验装置图2.3水面形态和三维流动结构实验方案步骤图2.4 水面高程测点分布图在弯道处设有13个测量断面，每个断面均布5个测点，在此测量水面高程，如上图2.4所示。垂线流速分布的测量点与水位测

23、点选在相同断面上，但在每一断面上沿径向的测量点数（垂线条数）加密为7个，垂向的测点数为10个，均为非均匀分布，各点的径向位置坐标如表2.1所示表2.1 径向位置坐标编号AbcdefgR（cm）155171188205222234245测量步骤如下：（1）以一个点为固定点利用水准仪测出主槽和支槽流量都为0时的水槽的底部的相对高程。（2）预先确定汇流比，=Q支/Q主：0、0.03、0.1、0.3、0.6。（3）释放合适的主槽流量（约30立升/秒），调整主槽水深（水深测量断面选在弯道进口断面前顺直段，根据测量经验水深约为0.12m时测量效果较好）,由尾水闸门控制；（4）按汇流比施放支槽流量，待流量稳

24、定后用ADV流速仪测出此时每个断面上每条垂线上的水面高程，根据此时所测的水面高程与施放水流前的水槽底部高程进行比较，分析出此汇流比下的水面形态，得出结论。（5）用ADV流速仪分别测出各个断面上各条垂线上不同水深点的三维瞬时流速，然后作时间平均；（6）根据所得数据绘制出不同断面下的不同垂线上的流速分布图，并计算出各条垂线的流速的卡门常数并分析是否合理。（7）改变汇流比，重复以上步骤进行试验。第3章弯道干支流汇合口水流运动与水面形态3.1数据可靠性分析 3.1.1 流量对比检验因为在弯道进口断面为明槽均匀流，流速分布服从对数分布，各垂线平均流速基本相同，易于通过对数插值求出平均流速算出流量，将计算

25、流量与流量计显示流量比对，以此检验所测数据是否真实可靠，所以本实验选取弯道进口断面测量数据进行流量检验。用excel对进口断面及上游距离其一米的断面的7条垂线所测得的数据进行指数曲线拟合，然后根据所得趋势线进行插值，再由梯形公式积出趋势线与坐标轴面积S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7。已知实验水槽宽度W=1m，测出断面水深H。则通过公示（3.1） Q=(S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7)*W/7 （3.1）可求得断面流量Q，再将Q与由电磁流量计QT所测得的流量进行比较。经过比较，通过公式（3.2）计算得到的流量相对误差 E=|Q-QT|/ QT*100% （3.2）保持在10%以

26、内，实验数据能够充分反映汇流区的三维流速分布情况，所测流速数据具有较好的可靠性。3.1.2 垂向流速分布检验随机选取两测点实验数据，用Excel描绘其垂向流速分布线，通过插值拟合发现所测数据垂向流速分布基本符合指数分布，如图3.1所示，验证了实验数据的可靠性。图3.1 随机点垂向流速分布图3.1.3 紊流特性检验紊流流速服从一般正态分布，由试验数据计算其标准偏差，代人一般正态分布公式得到一般正态分布的理论曲线。再由试验数据绘制频数直方图。用K-S检验所测流速数据是否符合正态分布。随机选取两测点实验数据，其频率直方图如图3.2所示。图3.2 随机点紊动流速频率分布图其峰度和偏度都小于1，且用K-

27、S检验时满足显著性差异条件，则其符合正态分布。通过以上检验，实验数据的准确度可以保证在允许误差范围内。3.2弯道干支流交汇河段表面流动形态试验研究3.2.1弯道干支流交汇口水面等高线分布特性图3.3为各汇流比下弯道交汇口区水面等高线图。图3.3 各汇流比下弯道交汇区水面等高线图由图3.3可以看出，弯道交汇口区域水面形态十分复杂，汇流比对水面几何形态有一定影响，但在不同汇流比下，水面总体形态保持一致。在弯道入口处，同一过水断面上高程基本相同。随着圆心角的增加，水面呈现凹岸水位高凸岸水位低的情况，形成水面横比降。从图3.3可以看出，在汇流比较小时，支流汇入主流对主流的影响较小，水面形态与纯弯道水面

28、形态类似，凹岸水位最高点出现在90圆心角左右，水面线呈上凸形式，凸岸水面线大致呈下凹形式。从图3.3可以看出，随着汇流比的增加，在汇合口以上弯道部分，由于支流入汇顶托作用增强，水面高程增加，凹岸最高水位有向上游移动趋势，水面纵横向坡度减小。在汇合口以下弯道部分，总体来看，沿纵向水面高程均呈降低之势，水面横比降相应减小，但由于汇流比相对较大时，汇合口下游凹岸分离区和支流对干流的挤压作用，在凹岸水流分离区水位略有下降，流速增加，大约过分离区后水位升高，然后逐渐下降。3.2.2 弯道干支流交汇口水面横比降分布特性定义水面横向比降Jr为沿半径方向单位尺度水面高程的增量，即 (3.3)则根据此定义，横向

29、比降为正时，表明沿半径增加方向水面升高，反之，表明沿半径增加方向水面降低。图3.4为30，60，90，120断面处不同汇流比下水面横比降。图3.4 30，60，90，120断面处不同汇流比下水面横比降从图3.4(a)(b)可以看出，在交汇口上游，水面横比降为正，说明水面形态为凸岸低凹岸高，且在凹岸水面高程达到最高，符合一般纯弯道水面形态。随着汇流比的增大，由于汇流的顶托，水面变平，横比降逐渐降低。对比图3.4(a)(b)，当断面圆心角较小时，靠近凸岸处水面横比降较大，随着圆心角的增加，断面横比降的极大值点具有向凹岸靠拢的趋势。在交汇口断面，当汇流比较小时，断面横比降的极大值点已经存在于凹岸侧，

30、当汇流比增加时，由于汇流的挤压，凸岸横比降不减反增，凹岸横比降却迅速减小，甚至出现负值（图3.4(c)）。由图3.4(d)(e)可知交汇口下游水面横比降仍然主要为正值。在120断面处，当汇流比较小时，凸岸横比降最大，向凹岸逐渐减小，随着汇流比的增大，由于分离区的存在，流道收缩，凸岸水面迅速升高，但靠近凹岸处，水面横比降减小，甚至出现负值，说明分离区的水面高程较低，经过分离区后，水面逐渐恢复纯弯道水面形态，见图3.4(e)。3.2.3 弯道干支流交汇口水面纵比降分布特性定义水面纵向比降J为，沿流动方向单位流程长度的水面高程降低量，即 (3.4)则根据此定义，纵向比降为正时，表明沿流动方向水面降低

31、，反之相反。（1）不同汇流比同圆心距水面纵比降比较图3.5为R=1.5m, 1.75m, 2m, 2.25m, 2.5m 圆心距处不同汇流比下水面横比降沿圆心角的分布图。在相同圆心距时，水面纵比降沿流程的变化关系为，在弯道上游前半段（60度圆心角断面之前），水面纵比降为正，在汇合口所在的90度圆心角断面附近的下游区域水面纵比降急剧震荡，在90度圆心角处达到最大值，然后急剧减小为负值，在120度圆心角出达最小值。过120度之后，纵比降又逐渐增大达到正值。该特点在汇流比大时体现的尤为明显。这说明在汇合口及其以上弯道区域水面都是下降的顺坡，在弯道下游水面（110度-130度）升高出现逆坡，到弯道最后

32、部分（130度下游部分）又出现顺坡。汇流比的增加使得汇合口上游弯道前半段正的水面纵比降（顺坡）减小，水面趋于平坦。在汇合口区域，汇流比的增加使得水面纵比降值突然变大，在大约90度圆心角汇流断面处达到最大，可见在这里汇流比较大时存在明显的旋涡或跌水现象。在之后的汇合口下游弯道后半段，随汇流比的增加，水面纵比减小。当汇流比增大到0.6的试验最大值时，在凸岸水面纵比降减小最多，在凹岸及中心线上反而再次增加，如图3.5所示。图3.5 R=1.5m, 1.75m, 2m, 2.25m, 2.5m 圆心距处不同汇流比下水面横比降（2）不同圆心距同汇流比水面纵比降比较图3.6为=0.03, 0.1, 0.3

33、, 0.6 时不同圆心距下水面横比降沿圆心角的分布图。横向比较不同圆心距处水面纵比降（图3.5）以及相同汇流比不同圆心距纵比降（图3.6）可以看出，在汇合口上游的弯道前半段（30度圆心角断面之前），从凸岸到凹岸，随着圆心距的增加，纵比降逐渐减小。在汇合口下游的弯道后半段（150度圆心角断面之后），从凸岸到凹岸，随着圆心距的增加，纵比降逐渐增加。在汇合口附近区域，水面纵比降变化比较复杂，随弯道半径变化无明显规律性。图3.6 =0.03, 0.1, 0.3, 0.6 时不同圆心距下水面横比降3.2.4弯道交汇口水面流速结构分析图3.7为不同汇流比下弯道区域水面迹线平面投影图。图3.7 弯道区域水面

34、迹线平面投影图从图3.7（a）可以看出，当汇流比为0时主槽弯道部分水面迹线从凸岸冒出，从凹岸消失，说明在纯弯道情况下弯道区域沿流向存在顺时针方向二次螺旋流动。由图3.7（b）可知，当汇流比较小时，水面迹线依然与无汇流时相似，仅在汇流口处水面迹线向凸岸弯曲，怎个弯道区域顺时针方向二次螺旋流动依然明显。当汇流比再增大时，图3.7（c）所示，在交汇口上游流段，顺时针螺旋二次流依然明显，但是在交汇口下游凹岸处存在明显的漩涡，即水流分离区，由于分离区的存在，交汇口上游局部地区，以及交汇口下游大部分流段水流结构十分复杂，存在多个不同方向的螺旋流动。图3.8为水面流速矢量图，图3.9为不同圆心角下凸岸中心线

35、凹岸水面流速变化图。 图3.8 弯道区域水面流速矢量图图3.9 不同圆心角下凸岸中心线凹岸水面流速变化图由图3.8与图3.9可知弯道入口断面流速分布比较均匀，随着弯道圆心角的增加，凸岸流速逐渐增大，凹岸流速逐渐减小通过90断面之后，凸岸流速逐渐减小，凹岸流速逐渐增大，到弯道出口断面，流速基本恢复均匀。通过图3.8（a）（b）（c）的比较可知，由于汇流的加入，汇流口上游水面抬高，增速现象不明显，在汇流口下游凹岸形成分离区挤压水流，束窄过流断面，在分离区与凸岸之间形成水流加速区，流速增加明显。3.3弯道干支流交汇区水流三维流动结构研究对于弯道水流，由于水流经过弯道做曲线运动时，离心力的存在使原有水

36、流结构的平衡遭到破坏，产生水面横比降，横断面上产生弯道螺旋流现象8；对于一般的顺直河段的交汇口，由于干支流水流相互挤压和冲撞，以及干支流渠底高程差的存在，在交汇区容易产生水平方向的螺旋流4,9; 长期以来，国内外学者从理论、试验及原型观测等方面对弯曲河道水沙运动特征进行了研究10,11，对顺直河段交汇口的“Y”型交汇口和支流斜接型交汇口的流动结构也进行了研究2。但是对于天然河道中大量存在的弯曲河段与顺直支流河段相交汇的汇流区水流特性研究，目前除有少量的原型观测资料分析外，少有系统的试验研究成果。鉴于此，本文通过概化模型，利用ADV超声流速探测仪对顺直型支流以60交汇角交汇弯道干流的流场进行测量

37、，得到交汇区在不同汇流比下的三维流速数据，利用tecplot软件对所得数据进行了处理，并根据所得图像结果对不同汇流比下，不同的水平断面和过流断面上的流动结构进行了对比研究。3.3.1弯道交汇口不同高程水平断面流速结构分析图3.10为汇流比=0.1工况下弯道区域不同高程水平断面流速矢量图。由图3.10可知，当汇流比较小时，弯道交汇区水流平面结构与纯弯道情况下比较相似。对于纯弯道水流，由于横向水压力和离心力的双重作用，在弯道处产生螺旋流。由图3.10知在靠近水槽底部，由于水流流速较小，水压力占主导作用，因此水流改向较容易，主流靠近凸岸；随着水深的增加，水流流速增大，离心力逐渐占主导作用，水流改向困

38、难，主流靠近凹岸。由此产生了螺旋流动，在水平面上表现为水面水流冲顶凹岸，而水底水流则偏靠凸岸；在垂直断面上则表现螺旋运动，槽底水流流向凸岸，水面水流则流向凹岸（图3.12）。图3.10 汇流比=0.1工况下弯道区域不同高程水平断面流速矢量图图3.11为汇流比=0.6工况下弯道区域不同高程水平断面流速矢量图。由图3.11可知，当汇流比增大时，交汇口上游水流由于支流的顶托作用，流速变慢且分布均匀。在交汇口处，不同高程断面处都有大小不等的分离区出现，且随着水深的增加，交汇口处的分离区尺寸逐渐增大。主流受到分离区的挤压，流道变窄，凸岸附近流速迅速增加，在分离区与凸岸之间形成明显的加速区，凹岸附近流速则

39、减小甚至产生反方向流动。分离区之后水流逐渐恢复纯弯道水流情况。图3.11 汇流比=0.6工况下弯道区域不同高程水平断面流速矢量图3.3.2弯道交汇口不同垂直过流断面流动结构分析图3.12为汇流比=0.6工况下弯道区域不同垂直过流断面流速矢量图(包含流线平面投影线，上游向下游看)图3.12 汇流比=0.6工况下弯道区域不同垂直过流断面流速矢量图由图3.12知，在交汇口上游，螺旋流动为大涡螺旋流，且漩涡中心主要靠近弯道凸岸，对于逆时针方向弯道，螺旋方向为顺时针（图3.12 (a)）。在交汇口区域，由于支流的顶冲作用，螺旋流涡体被压缩，螺旋流现象仍然明显（图3.12 (b)）。经过交汇口，由于支流汇

40、入在凹岸附近形成的分离区的影响，主流流道被压缩，靠近凸岸的螺旋流仍然保持，但与此同时，在凹岸分离区也产生了一个与弯道螺旋流方向相反的螺旋流动（图3.12 (c)）。经过分离区后，主流不再受到支流的挤压，流道变宽，在垂直过流断面上流动表现为凸岸向凹岸流动，弯道螺旋流现象减弱甚至消失（图3.12 (d)）。图3.13为不同汇流比条件下，圆心角为120断面处的流速矢量图。由图3.13 (a)知，当没有汇流时，120断面处的弯道螺旋流为大涡螺旋流，整个断面只存在一个巨大的涡体，且漩涡中心基本位于流道中心处。而当有汇流进入时，在120断面，靠近凸岸处，仍然保持有与纯弯道情况下螺旋方向相同的螺旋流动（图3

41、.13 (b,c)）。但是在凹岸附近，由于支流的汇入，在交汇口下游出现了与纯弯道螺旋流流动方向相反的螺旋流动（图3.13 (b,c)）。整个断面同时出现两个相反方向的螺旋流，且靠近凸岸的流动方向与纯弯道的螺旋流相同，靠近凹岸的流动方向与纯弯道的螺旋流方向相反。比较图3.13(b)，和图3.13 (c)可知，随着汇流比的增大，同一断面上出现的两个相反方向的螺旋流动的现象越明显。 图3.13 120断面处流速矢量图3.4弯道汇流区水头损失和紊动特性的研究3.4.1 弯道汇流区水头损失的分析弯道交汇河段局部水头损失起到了非常大的作用，其弯道交汇口回流区产生的急变流比沿程的均匀流复杂的多，其产生的水头

42、损失也大很多，因此沿程水头损失可以忽略。进口断面为1-1断面，出口断面为2-2断面，采用测压管测得两断面的水面高程z，利用流量和断面面积求得断面平均流速。由恒定流能量守恒公式（3.5）和局部水头损失公式（3.6）可得： z1+1v122g=z2+2v222g+hj; (3.5) hj=vi22g; (3.6)联立式 (3.5)、(3.6)式求解可得局部水头损失系数计算式（3.7）： =z1-z2+1v12-2v222g/ v122g (3.7)其中 v1=Q主A1; v2=(Q主+Q支)A2; A1=h1*R; A2=h2*R式中： z1、z2为断面1、2处水位 ；v1、v2 为1、2断面平均

43、流速；hj为局部水头损失；为动能修正系数，近似为1.0；为局部水头损失系数；Q主、Q支为主槽和支槽流量；A1、A2为1、2断面面积；h1、h2为1、2断面水深；R为主槽宽度。（1）局部水头损失系数与汇流比的关系由于水流流过汇合口区域时，由于流向的突然改变，使水流流态发生急剧变化，水头有集中的水头损失即局部水头损失，试验通过调整主支槽流量，根据能量方程，计算出在汇流比为0、0.05、0.1、0.2、0.4的局部水头损失系数。其关系如图3.14。图3.14 与关系图 图3.15与lg(Re)关系图通过图3.14可以看出，局部水头损失越大，局部水头损失系数与流量比呈明显的正相关关系，即随着干支槽流量

44、比的增大，水头损失系数增大，相关系数r=0.975，经过回归分析得出其关系式为=9.24+3.59。局部水头损失系数与流量比的关系产生是由于：随着汇流比的增大，水流经过汇合口流态改变越大，且水流在汇合口区流动发生分离产生的分离区越大（图3.8），产生的漩涡也越多（图3.13），由于漩涡的产生需要消耗机械能，漩涡内液体的分裂和相互碰撞摩擦则消耗更多的机械能，使产生的局部水头损失越大。（2）局部水头损失系数与雷诺数的关系通过雷诺数的计算公式（3.8）： Re=*R/ (3.8)其中Re为雷诺数；为断面平均流速（m/s）；R为水力半径（m）；为水的运动粘度（m2/s）不同汇流比下的水头损失系数和雷诺

45、数关系如图3.15. 本试验是在紊流状态下进行（Re4000）,雷诺数的范围为1800020000，通过图3.15可以看出局部水头损失系数与lg(Re)成非常好的负相关关系，相关系数达0.99，经过线性回归得出其关系式为=-140.51lg(Re)+746.02。3.4.2弯道汇流区紊动特性的研究（1）交汇角为60度下不同汇流比时汇流区床面剪切应力分布(a) 汇流比=0 (b) 汇流比=0.1(c) 汇流比=0.6图3.16 不同工况下汇流区床面剪切应力分布图由图3.16可知，弯道干支流汇合口区域底部剪切应力分布的特性为，弯道前半段的切应力普遍小于弯道后半段的切应力；在弯道前半段，凸岸侧的切应力大于凹岸侧的切应力；在弯道后半段，凹岸侧的切应力大于凸岸侧的切应力；在汇合口区域底部最大剪切应力位于汇合口附近下游的凹岸侧，即位于旋涡分离区中。在漩涡分离区中，水流出现了反向即回流现象，此现象在汇流比较小的情况下表现不明显，随着汇流比的逐渐增加，漩涡分离区的平均切应力逐渐增加，水流紊动越厉害，回流现象更为显著，此现象正是较大的紊动切应力做功的结果。（2）汇流区水流的紊动特性初步分析弯道汇合口区域水流的紊动特性是十分复杂的，由于弯道干流与支流相互顶托碰撞，汇流区水流的紊动掺混作用