不同水深流速分布及推力计算.doc

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（层流是流体的一种流动状态，它作层状的流动流体在管内低速 流动时呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动流体的流速在 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：J：水力坡度； 水力坡度，又称比降，是指河流水面单位距离的落差，常用百分比、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：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。

爱因斯坦提出的具体计算公式如下：其中 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？_?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）夕卜层区水流为紊流，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：式中，为尾迹强度系数；k为卡门常数；CD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 ho h i h 2 h 3 h 4 h5,对应的流速分别为 Vo Vi V2 V3 V4 V5,从表 层到底层两层之间面积为分别为 So Si S2 S3 S S5，则用积分方法得到的垂线平均流速 V 计算公式如下：V= —（So+Si +S2+S3 +S4+S5 ）在传统的六点法测流中，通常是 ho=O,h i=0.2H,h 2=0.4H,h 3=0.6H,h 4=0.8H,h 5=H,则上式可优化为 V— V0+2 （V+V+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1m甚至小于1m—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：式中，P1为水流推动力； 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 ；---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：--- 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。