精编不同水深流速分布及推力计算.docx

精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -一、流速分布及运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， 在空间中不规章、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；实际中流速运算一般依据实测数据进行推导，具有代表性的是“六点测流法”， 2021 年之后，声学多普勒流速剖面仪开头被采纳，随后有部分学者提出了相应的“多点法测速运算”；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，其相应的运算公式如下：( 一) 直线层水流为层流（层流是流体的一种流淌状态，它作层状的流淌；流体在管内低速流淌时出现为层流，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，此时流速可按下式运算：yμ = √ ghJJ：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；运算方法：近似依据直线层或者对数层公式运算；（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 , 一般运算公式如下：uμ= A .lgy + By其中 A 和 B 是系数，与床面粗糙情形有关，通过实际资料确定， y 为运算点至河床的距离；爱因斯坦提出的详细运算公式如下 :μμ = 5.75lg(y30.2yx)k s第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -其中 k s 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 k sδ值有关； δ: 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，仍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，运算公式的一般运算形式为：μ= A .lgy + B +μ.π yk .ω( h)式中， π为尾迹强度系数； k 为卡门常数；ω 为函数符号； π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，依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，仍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匀称的，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）六点实测法运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 h 1 h 2 h 3 h 4h5, 对应的流速分别为 V0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5, 从表层究竟层两层之间面积为分别为 S0 S 1 S 2 S 3 S4 S 5 ，就用积分方法得到的垂线平均流速 V 运算公式如下：V= 1 (S +S +S+S +S+S )0 1 2..3 4 5在传统的六点法测流中，通常是 h0=0,h 1=0.2H,h 2=0.4H,h 3=0.6H,h 4 =0.8H,h 5=H,第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -就上式可优化为 V=1 [V +2（ V +V+V+V） +V] ；0 1 2 3 4 510如需运算某一点的流速，就依据上述测得值所汇出的函数图像，可以粗略估量某一点的流速；利用传统六点法运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，因此会缺失垂线平均流速运算值的精度；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，从而大大提高运算结果的精度；二、水流力运算（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，可用来运算河床冲刷；详细运算公式为：..1 = γw HJ式中， P1 为水流推动力； γw 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第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - -精品word 可编辑资料 - - - - - - - - - - - - -( 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；υ2 ( 1 - cos α)P2 = k .γw .h . g .式中： P2--- 水流推动力（ kN/m）；sin αk--- 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 ；γw --- 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：α--- 水流冲击方向与阻流面间的夹角： υ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，可按下式进行运算：υ= η.υp ，υp --- 水流未压缩时的断面平均流速，可参考第一节运算，η--- 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第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - - -。