不同水深流速分布及推力计算27020.pdf

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1、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 年之后，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，水面流速大，河底流速受河床的粘滞作用，基本为零。理论上水流流速由下往上可分成直线层、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（层流是的一种流动状态，它作层状的流动。流体在管内低速流动时

2、呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑。流体的在管中心处最大，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：y=ghJ J：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、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：uy=A?lgy+B 其中 A 和 B 是系数，与床面粗糙情况有关，通过实际资料确定，y 为计算点至河床的距离

3、。爱因斯坦提出的具体计算公式如下:y=5.75lg(30.2yksx)其中 ks为床面粗糙高度，可取床沙代表粒径；x 为反映对流速分布实际影响的系数，与?ks?值有关；:为近壁层流层的厚度。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：=A?lgy+B+k?(yh)式中，为尾迹强度系数；k 为卡门常数；为函数符号；和 k 通过实测资料确定。y 意义同前，h 为断面水深。(五)实际应用 在实际中，通常将对数区的流速

4、分布公式推广到全部水深，根据全部水深上的流速分布资料来确定对数流速分布公式中的系数，再将对数流速分布公式用到全部水深上去。在宽深比介于 6 至 10 之间的的河槽中，断面上任一点的水流不仅受到来自河底紊动涡体的作用，还同时受到来自河岸紊动涡体的作用。纵向流速不仅沿水深变化，沿断面横向分布也是不均匀的，接近河岸的垂线与河心的垂线流速分布相差较大，岸边垂线的最大流速往往不在水面上。河槽过于窄深时，河中心垂线的最大流速也不在水面。（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 h1 h2 h3 h4 h5,对应的流速分别为 V0 V1 V2 V

5、3 V4 V5,从表层到底层两层之间面积为分别为 S0 S1 S2 S3 S4 S5，则用积分方法得到的垂线平均流速 V计算公式如下：V=1(S0+S1+S2+S3+S4+S5)在传统的六点法测流中，通常是 h0=0,h1=0.2H,h2=0.4H,h3=0.6H,h4=0.8H,h5=H,则上式可优化为 V=110V0+2（V1+V2+V3+V4）+V5。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据较少，因此会损失垂线平均流速计算值的精度。而声学多普勒流速剖面仪可以测得一条垂线上没

6、 1m 甚至小于 1m 一层的流速数据，对于水深 10m 以上的水域，在一条垂线上可以测得 10 层以上的数据，因此对应于上述六点分析法，可以类似地推导出多点分析法，从而大大提高计算结果的精度。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：1=wHJ 式中，P1为水流推动力；w为水的容重；H 为水深；J 为水力坡度。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?w?h?2g?(1 cos)sin 式中：P2-水流推动力（kN/m）；k-绕流系数，对实体坝而言，坝身宽度与坝长相比小得多时取 1.0，宽度与长度大致相等时取 0.7；w-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：-水流冲击方向与阻流面间的夹角：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：=?p，p-水流未压缩时的断面平均流速，可参考第一节计算，-由于建筑物挤压水流断面而使流速增大的系数，取值见下表：图 5 压缩断面流速增大系数