梯形渠道斷面平均流速與單點(diǎn)流速關(guān)系研究.docx

1、梯形渠道斷面平均流速與單點(diǎn)流速關(guān)系研究劉鴻濤1,李延和J黃金林I(1-長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.吉林省前郭灌區(qū)灌溉管理局，吉林松原131100)摘要梯形渠道以其過流能力大、輸沙能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，在灌區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)梯形渠道斷面平均流速與點(diǎn)流速間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)過水?dāng)嗝孀畲罅魉冱c(diǎn)在液面以下，用對(duì)數(shù)律流速分布形式和拋物線形式擬合的中垂線流速分布曲線都具有一定的誤差。進(jìn)一步引入尾流函數(shù)進(jìn)行分析，擬合曲線交點(diǎn)流速值近似等于過水?dāng)嗝娴钠骄魉?，平均流速點(diǎn)位于中垂線上0.120.13倍水深之間。關(guān)鍵詞平均流速；流量；流速儀；渠道中圖分類號(hào)S274.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)100

2、6-7175(2011)06-0005-03收稿日期2011-02-25基金項(xiàng)目吉林省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(20110236);吉林省科技廳支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(20090259)作者簡(jiǎn)介劉鴻濤(1979-)，男，河北安新人，工程師，碩士，主要從事渠道量水方面的研究;李延和(1969-)，男，山東郛城人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事灌溉工程的建設(shè)和管理工作;黃金林(1963-),男，吉林九臺(tái)人，教授，博士，主要從事水利工程專業(yè)的教學(xué)、科研和教務(wù)管理工作.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水與工業(yè)和城市用水之間的矛盾日益加劇。加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水管理，提高灌溉水利用效率，成為解決矛盾的有效方法之一。本文旨在從理論

3、與實(shí)際工程角度，探索渠道斷面平均流速與點(diǎn)流速之間的關(guān)系，進(jìn)而得到更簡(jiǎn)便、更精確的渠道流量計(jì)算方法。用適當(dāng)?shù)臏y(cè)流方法對(duì)梯形渠道斷面流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，在準(zhǔn)確掌握了流速分布規(guī)律之后，就可以根據(jù)流速分布的特點(diǎn)，探求流量的計(jì)算公式，為渠道水利計(jì)算提供依據(jù)。本文通過對(duì)梯形渠道斷面流速分布規(guī)律的探討，驗(yàn)證垂向流速分布規(guī)律,進(jìn)一步引入尾流函數(shù)進(jìn)行分析，擬合曲線交點(diǎn)流速值近似等于過水?dāng)嗝娴钠骄魉?平均流速點(diǎn)位于中垂線上0.12-0.13倍水深之間，可以提高流速儀測(cè)流精度，簡(jiǎn)化測(cè)流過程。1模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)在長(zhǎng)春工程學(xué)院水利館進(jìn)行。梯形渠道底寬為20cm,渠深為40cm,邊坡系數(shù)m為1.5,渠長(zhǎng)為20m,渠道

4、斷面示意圖見圖1。試驗(yàn)水溫在15T左右，測(cè)流斷面選擇在渠道中部水流平穩(wěn)處，渠道出口處安裝螺桿啟閉式鋼閘門，調(diào)節(jié)和控制渠道水位。圖1試驗(yàn)梯形渠道斷面示意圖本次試驗(yàn)使用了由南京水科所研制的LGY-III型流速量測(cè)系統(tǒng)和旋槳式光電流速儀，其測(cè)量范圍可達(dá)0土250cm/s,測(cè)量精度為0.01cm/so試驗(yàn)流量用BFG-S型電磁流量計(jì)量測(cè)，讀數(shù)精度達(dá)0.01L/s。此外，試驗(yàn)過程中還用到水位測(cè)針、自制流速儀固定臺(tái)車、SYLG_003型水準(zhǔn)儀等。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖2。圖2模型試驗(yàn)照片2摩阻流速確定方法根據(jù)明渠均勻流的阻力平衡求摩阻流速。該方法需要精確地量測(cè)渠道的底坡和水面坡度，均勻流必須保證水面平行于渠底。考慮

5、邊壁影響后得出的摩阻流速計(jì)算公式為：=/&RJ（1）式中j為摩阻流速;g為重力加速度；R為水力半徑；J為水力坡度。3 過水?dāng)嗝孀畲罅魉傥恢酶鶕?jù)現(xiàn)有研究成果，由梯形渠道的對(duì)稱性可知，斷面最大流速必然發(fā)生在中垂線上。本次試驗(yàn)通過多組梯形渠道試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料,繪制出了不同流量和不同水深情況下的中垂線流速示意圖（圖3圖6）。豎向流速的尾流函數(shù)分析根據(jù)1956年Coles提出二位不可壓縮紊流邊界層流動(dòng)的流速分布可以表示為對(duì)數(shù)律和尾流律的線性組合,將垂線流速分布表示為：檢伽（乎）+B+2%in2（ff）（2）式中*為運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù);"為摩阻流速;a為卡門常數(shù);n為尾流強(qiáng)度系數(shù)。取卡門常數(shù)*=o

6、.4i,尾流強(qiáng)度系數(shù)分別取n=oji=0.2、H=0.4、n=0.6、ri=L0、II=1.50利用式（2）對(duì)各流量下的中垂線流速進(jìn)行擬合，并繪制不同流量、不同水深條件下的流速擬合曲線圖，見圖7圖10。圖7圖10中：縱軸=4-乎sir?（七）u,kH2橫軸=log（yu*/p）191817161514131211191817161514131211尾流強(qiáng)度系數(shù)0尾流強(qiáng)度系數(shù)0.2尾流強(qiáng)度系數(shù)0.4*尾流強(qiáng)度系數(shù)0.6*尾流強(qiáng)度系數(shù)1尾流強(qiáng)度系板1.5/T=0.9633R2=o.9692序=0.9715RW.9701R2=o.9637/T=0.9633R2=o.9692序=0.9715RW.97

7、01R2=o.96370=40.44L/bH=20.52cm2.4 2.62.83.03.23.43.63.8圖7由尾流函數(shù)擬合中垂線流速圖（Q）r+圖4中垂線流速示意圖M）2120191817+16S151413121110X尾流強(qiáng)度系數(shù)1.5Q=34.17L/sH=15.6cm.尾流強(qiáng)度系數(shù)0尾流強(qiáng)度系數(shù)0.2尾流強(qiáng)度系數(shù)0.4x尾流強(qiáng)度系數(shù)0.6-二尾流強(qiáng)度系數(shù)1B2=0.967R2=o.9678/f=0.9668B2=0.9649fr=0.9601冷=0.95412.42.62.83.03.23.43.63.8/+圖8由尾流函數(shù)擬合中垂線流速圖（6）圖5中垂線流速示意圖（c）27262

8、5242322212019181716尾流強(qiáng)度系數(shù)0尾流強(qiáng)度系數(shù)0.2尾流強(qiáng)度系數(shù)0.4x尾流強(qiáng)度系數(shù)0.6*尾流強(qiáng)度系數(shù)1尾流強(qiáng)度系數(shù)L50=40.44L/sH=16.89cm丑2=0.9082R2=o.9324R2=0.949R2=o.96O3R2=0.9724H2=0.9771圖6中垂線流速示意圖以）圖3圖6中，。為流量;/為測(cè)量斷面水深;y表示測(cè)點(diǎn)距離渠底的高度;“為對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的流速值，曲線表示中垂線流速沿豎直方向的分布趨勢(shì)。由圖3圖6可知,梯形斷面渠道最大流速均發(fā)生在水面以下。2.62.83.03.23.43.63.8，+圖9由尾流函數(shù)擬合中垂線流速圖（c）在流量不變、調(diào)節(jié)水深的情況下

9、，擬合曲線相交于一點(diǎn)；同樣在流量、水深、尾流強(qiáng)度都變化的情況下，擬合曲線仍交于一點(diǎn)，擬合曲線的R2=0.95左右。由于過水?dāng)嗝孀畲罅魉侔l(fā)生在水面以下，使得在水面以下附近的流26252423222120191817162625242322212019181716246511L9OOOO11系系系系系系強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)屆屈居尾尾尾Q=34.17L/sH=15cm肥=0.8938RJ0.9185=0.9364RMK9492屈=0.9646RMJ.97292.62.83.03.23.43.6圖10由尾流函數(shù)擬合中垂線流速圖(d)速偏離尾流函數(shù)曲線較大，尾流強(qiáng)度n=o,即方程為對(duì)數(shù)形式時(shí)，擬合曲線相關(guān)性較低

10、。隨著尾流強(qiáng)度的增大，擬合曲線相關(guān)性增大，當(dāng)尾流強(qiáng)度系數(shù)增大到0.6以后，擬合的相關(guān)性逐漸減小，所以可以確定公式中尾流系數(shù)H=0.6,左=0.41°平均流速點(diǎn)位置的分析平均流速點(diǎn)位置的確定，可以為簡(jiǎn)化和精確測(cè)量渠道流量提供理論依據(jù)。通過上述尾流律的擬合研究，可知同一流量下隨著尾流強(qiáng)度系數(shù)不同，擬合曲線交于一點(diǎn)，對(duì)多組實(shí)測(cè)流速資料進(jìn)行分析,計(jì)算出各交點(diǎn)位置與相應(yīng)水深的關(guān)系，見表1。從表1中可以看出，不同水力特性條件下，中垂線上的交點(diǎn)水深與測(cè)線水深之比為0.120.13。符合中垂線交點(diǎn)水深y與斷面水深H之間的關(guān)系為y=0.1HO.2/7的已有研究成果。表1中垂線交點(diǎn)水深與測(cè)J線水深關(guān)系表

11、序號(hào)流量。/Ls'*斷面水深H/cm交點(diǎn)處左點(diǎn)處水深:r/cmy/H134.1715.02.651.950.13234.1715.62.662.050.13340.4416.892.722.110.12440.4420.522.812.520.12利用交點(diǎn)位置相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，用流速儀測(cè)量交點(diǎn)流速值,利用計(jì)算的斷面平均流速，建立二者之間的關(guān)系，見圖11O從圖1中可以看出，平均流速與交點(diǎn)流速值有很好的相關(guān)性,盡=0.96?？梢越普J(rèn)為交點(diǎn)位置流速值與斷面平均流速值近似相等，即交點(diǎn)流速位置就是平均流速值所在的位置。4 結(jié)論與建議本文在分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)明渠水流特性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)梯形渠道過水?dāng)?/p>

12、面進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,得到了以下結(jié)論：(1) 梯形渠道過水?dāng)嗝孀畲罅魉侔l(fā)生在自由液面以下，并位于過水?dāng)嗝嬷写咕€上。(2) 中垂線流速的分布與對(duì)數(shù)律流速分布形式和拋物線分布形式比較類似，對(duì)數(shù)分布形式擬合的序在0.92左右,拋物線分布形式擬合的舟在0.96左右。(3) 經(jīng)過理論分析試驗(yàn)資料，外區(qū)流速可引入用尾流函數(shù)公式修正后的對(duì)數(shù)公式進(jìn)行表達(dá),其中卡門常數(shù)L二0.41,尾流強(qiáng)度系數(shù)n=o.60(4) 交點(diǎn)水深y與測(cè)線水深H之比在0.120.13之間，又得到擬合曲線的交點(diǎn)處的流速近似于過水?dāng)嗝娴钠骄魉?，?#174;=0.96,可見交點(diǎn)流速與平均流速是基本相等的。本次試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，且試驗(yàn)組次相對(duì)有限。本文結(jié)論若要應(yīng)用于實(shí)際，還需要進(jìn)一步的原型試驗(yàn)修正。參考文獻(xiàn)1 IS01100-1-1996,明渠水流測(cè)量ISO標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)J.2 呂宏興，裴國(guó)霞,楊玲霞.水力學(xué)M.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2002.3 劉煥芳，呂宏興.高等流體力學(xué)M.北京：中國(guó)