ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2008年第48卷第12期2008,V o l.48,N o.127/312053-2056丁坝回流区水流紊动强度试验陈稚聪,　黑鹏飞,　丁　翔(清华大学水利水电工程系,北京100084)收稿日期:2007-09-28基金项目:国家“十一五”规划科技支撑项目(2006BAB05B02)作者简介:陈稚聪(1945—),女(汉),四川,教授。

E -mail :chenzh c @tsingh ua .edu .cn摘　要:丁坝是一种河道整治及护岸工程的设施。

为研究丁坝回流区水流的脉动特性和冲刷机理,对玻璃水槽内丁坝回流区水流进行了测量。

用三维激光颗粒动态分析仪(3D-PD A )测量三维脉动流速。

分析了丁坝后3个流区(主流区、回流正流速区和回流负流速区)的紊动强度。

结果表明:丁坝后回流区纵向紊动强度明显增强,且回流正流区大于回流负流区。

主流区、回流正流速区和回流负流速区的3个流区纵向紊动强度均以对数形式沿程减弱,至回流结束一段距离后恢复到无丁坝状态。

关键词:丁坝;水槽试验;回流;紊动强度中图分类号:T V 131.2+1文献标识码:A文章编号:1000-0054(2008)12-2053-04Turbulence intensity measurements in thebackflow region around a spur dikeCHEN Zhicong ,HE I Pengfei ,DING Xiang(Department of Hydraulic Engineering ,T s inghua University ,Beij ing 100084,China )Abstract :S pur d ikes are bu ilt to protect banks and improve ch ann els.T he tur bulence characteris tics of th e backflow region ar ou nd a s pur dike w ere measur ed in a glass tank to better analyze the scour ing and sedimentation mech anics.A 3-D dynamic particle an alyzer was used to measu re the turbu len ce intens ities in three sub -regions ,th e reverse-velocity b ackflow region,the positive-velocity backflow reg ion an d the main flow region.T he results sh ow that the turbulence intens ity is greatly streng th ened by the spur dike,particularly in the positive-velocity region with lesseffect in the main flow region.T he turbulence in tens ity then logarithmically d ecays w ith distance from the spu r dik e.Key words :s pur dik es ;glass tan k tests;backflow ;turbu len ceintensity丁坝是河道整治及护岸工程中一种重要的工程措施[1-2]。

研究丁坝回流区水流的脉动特性,对进一步研究回流区水流挟沙力与局部冲刷机理意义重大。

国内外不同学者或采用物理模型[3-4],或采用数学模型[5-6]作了大量研究。

但是,对于丁坝回流区脉动机理的研究,目前还远未完善。

本文利用三维激光颗粒动态分析仪(3D-PDA )系统,在室内实验水槽对丁坝回流区进行了流速场测量,研究了丁坝回流各流区三维脉动强度的变化规律。

1　试验简介1.1　测量仪器采用荷兰DANT EC 公司生产的三维激光颗粒动态分析仪(3D-PDA )。

系统包括:激光光源、传输光路系统、接收光路系统、信号处理器、计算机、三维自动坐标架。

根据水槽试验条件,示踪粒子选用聚苯乙烯,密度为1.04kg /dm 3,粒径为10～40 m 。

1.2　试验水槽系统实验玻璃水槽如图1所示。

水槽长L =4.2m ,宽B =15cm ,水位高h =5cm ,侧面和槽底都是玻璃构成,自带水箱、水泵循环供水。

激光光束可以从水槽上面、两侧、槽底入射,进行水流流速测量。

图1　试验水槽1.3　试验工况本次实验测量了丁坝后的三维流场。

实验通过改变水流流量q v 、丁坝长度b ,进行了4种工况的测量,试验组次如表1所示。

每种工况均进行了无丁坝均匀流测量,其水力比降(J )为1%。

表1　试验组次工况b /cm q v /(L s -1)17.5 2.125.0 2.13 5.0 1.547.51.52　丁坝回流区域的划分根据试验结果,将回流区划分为主流区、回流正流区和回流负流区(见图2)。

具体划分方法如下:回流发生并稳定后,存在一条A B 曲线,此线之外流区流量始终等于水槽初始流量,定义该区为主流区,该线以内的区域为回流区;在回流区正、负向流速交界处存在着一条纵向流速为零的AC 曲线,以此线为界,该线以内的区域称为负流速区,该线之外的区域称为正流速区。

正、负流区的纵向流量绝对值相等而方向相反,处于自成体系的动平衡状态。

这种用流量连续原理确定主流区范围,用流量图2　回流区平面区域划分示意图平衡方法确定回流区中负流速区和正流速区的方法,可以对回流区进行划分,为进一步分析各区的水流特性提供依据。

3　各流区三维紊动强度分布若令u 、v 、w 分别为纵向、横向及垂向脉动流速,则明渠流的紊动强度定义为:u ′=u -2,　v ′=v -2,　w ′=w -2,(1) Nezu 和Rodi [7]在实验的基础上得到明渠流动的纵向和垂向紊动强度分布公式:u ′/u *=D u ex p(- u z /h ),(2)v ′/u *=D v ex p(- v z /h ).(3)式中:z 为距水槽底部垂向距离,D u 、D v 为经验常数。

图3为公式(2)、(3)与无丁坝时实测紊动强度的统计平均值沿垂线分布曲线(由于受仪器限制,只测到z /h ≥0.1)。

可以看出,纵向和横向脉动强度均随z /h 增大而增大,其变化趋势与Nezu 的实验相似。

根据实验数据得出的经验系数为D u = 1.431, u=0.881;D v =1.556, v =0.128。

图3中还给出了垂向紊动强度沿水深的分布。

由图可以看出,垂向紊动强度沿水深分布几乎为常数,并接近摩阻流速。

垂向紊动强度沿水深的变化为w ′/u *≈const =D w .(4)图3　无丁坝时水流紊动强度沿垂向分布曲线 当明槽中加设丁坝(丁坝长度为水槽宽度的1/2)后,主流区、回流区的三维紊动强度均发生了明显的变化。

各区量纲一化紊动强度沿相对水深z /h 的分布如图4所示。

由图4可以看出,丁坝后回流区和主流区的紊动强度呈现出不同的特征,分述如下。

2054清华大学学报(自然科学版)2008,48(12)图4　有丁坝时主流区和回流区紊动强度沿垂向分布曲线 1)在主流区。

与无丁坝时相比,主流区水流紊动强度变化不大,而纵向紊动强度在近床面附近有所增强。

2)在回流区。

a)纵向紊动强度在垂线上均大于无丁坝时的紊动强度,垂线呈现出强烈的震荡,且沿垂线分布基本呈对称分布。

b )回流正流区和负流区的横向和垂向紊动强度基本为常数,且较无丁坝时的紊动强度略有增加。

4　纵向紊动强度变化规律4.1　纵向紊动强度沿槽宽分布由上述分析已知,与无丁坝时相比,丁坝后各流区水流紊动强度变化主要是纵向紊动强度的变化。

因此,有必要进一步分析纵向紊动强度的横向分布,以及该分布沿程的变化趋势。

图5给出5个典型断面的纵向紊动强度沿横向变化曲线,其中,u *=(ghJ )1/2=2.21cm /s,J 为水力坡降,h 为水深。

由图5可以看出,加丁坝后水流纵向紊动强度明显增强,且具有以下特征:1)丁坝回流区紊动强度增加比主流区大;2)距丁坝越近(x =140mm ),紊动强度越大,随着距离的增加,紊动强度逐渐减弱,至回流结束处(x =660mm )时,已接近无丁坝时的状态,但在x =860mm 时,紊动强度尚未完全恢复至无丁坝时的状态。

图5　纵向紊动强度u ′/u *沿横断面分布图4.2　各流区紊动强度沿程分布为分析不同流区纵向紊动强度的增加趋势,图6给出了工况2回流区u ′/u 0随x /l 的变化曲线。

其中u ′为有丁坝时纵向脉动速度;u ′0为无丁坝时脉动速度;x 为距丁坝的距离;丁坝占槽宽1/2,水深5cm ,q v =2.1L /s ;回流长度l =66.0cm 。

由图6可以看出,丁坝回流区纵向紊动强度比无丁坝时均有增加,且沿程递减。

其中主流区增加较少,到丁坝回流结束一定距离后基本上回到无丁坝水平;回流正流区增加最多,最大达无丁坝时的2.7倍,至回流结束时紊动强度仍为无丁坝时的1.66倍;回流负流速区增加规律与正流速区一致,但增2055陈稚聪,等:　丁坝回流区水流紊动强度试验幅介于回流正流区和主流区之间。

图6　丁坝回流区纵向紊动强度比u′/u′沿程变化曲线经本组实验资料回归,3个区域u′/u0随x/l变化呈如下关系:主流区,u′/u′0=-0.10ln(x/l)+ 1.13;(5) 回流正流区,u′/u′0=-0.27ln(x/l)+ 1.66,　x/l≤1;(6) 回流负流区,u′/u′0=-0.14ln(x/l)+ 1.28,　x/l≤1.(7) 由图6和式(5)可知,当回流结束时,主流区水流纵向紊动强度仍略大于无丁坝时,距丁坝约三倍回流长度时,主流区的脉动强度可完全恢复至无丁坝状态。

5　小　结1)丁坝下游水流三维紊动强度均比无丁坝均匀流时有所增强,其中纵向的增加远大于垂向和横向。

因此,研究丁坝下游回流区水流紊动强度变化时,应以纵向紊动强度为主。

2)回流区水流纵向紊动强度增加程度大于主流区。

在本文试验条件下,纵向最大紊动强度在主流区、回流正流区和回流负流区分别约为无丁坝时的1.6倍、2.7倍和1.9倍。

3)在丁坝下游纵向脉动强度沿程快速递减,至回流结束处,主流区、回流正流区和回流负流区纵向紊动强度已接近无丁坝状态,分别为无丁坝时的1.13、1.66和1.28倍。