弯道河段水流流态试验研究

次为０．０４，０．２２，０．４１，０．５９，０．７８。各测点流速Ｉ，以最大流速‰
进行无量纲化’５ｊ。
回地下水库
图１模型平面总体布置（单位：ｍ）
收稿日期：２００８一０５—２８ 作者简介：刘健，女，沈阳农业大学水利学院，硕士研究生。
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区，水位达到最高后，受惯性作用的影响，又有降低趋势，这时水
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道水面呈现扭曲的水面形态，从而导致了弯道水流结构的调整
１：Ｓ
和流速的重新分布。弯道水位等值线见图６。
图２流速空间网格布置（单位：ｍｍ）
Ｌ！！，ｌ 图３流速平面网格布置（单位：ｍｍ）
盯
［工二［工工］ Ｚ；２ｌｃ“
Ｚ＝１６ｃｏ
卜＋—卜＋＋＿｜ ｛，＿１ｌｃ”
２｜｜６ｃ… Ｚ＝ｌｃｍ
广Ｔ—广Ｔ Ｔ］
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２．２河段横向环流分布 横向环流是在弯道处形成特殊水流现象的决定因素，弯道
水流是三维水流，水流在垂直方向存在径向压力梯度，但是表层 水流和底层水流的向心加速度是不同的。通常表层水流的向心 加速度大于底层水流的向心加速度，因为表层水流的速度大于 底层水流的速度，这样，表层水流趋向于向外运动，而底层水流 则向内运动，靠近河岸处将形成平衡性垂向流速分量，该流速分 量的方向在凸岸向上，在凹岸向下，从而形成了对河床断面产生 很大影响的环流，也就是所谓的弯道螺旋流。
从图９中可以看出，在弯道进口附近，纵向紊动强度较大， 尤其是在弯道进口靠近凸岸处，是紊动强度紊动的核心区，紊动 强度有最大值；同样在弯道出口处，靠近凸岸处同样存在一个纵 向紊动的核心区域，该区域的紊动强度虽为负值，但其绝对值比 附近区域的值要大。
图７河段平面流线分布
图８河段横向流速水平面、横断面、纵断面
进口断面，只有近底层附近的横向流速有偏转现象，所以ｚ，日 ＝ｏ．０４．ｏ．２２处液体的紊动强度最大哺］，也就是贴近槽底壁的 脉动流速较大。同样，在弯道出口处，靠近凸岸处存在一个纵向 紊动的核心区域，该区域的紊动强度虽为负值，但其绝对值比附 近区域的值要大。
参考文献：
［１］姚仕明．分汊河道水流运动特性研究．水力发电学报，２００６，６（２５）： ４９～５２．
由于在弯道大部分范围内，环流是沿程变化的，故在试验
第１６期
刘 健等：弯道河段水流流态试验研究
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中，除非弯道足够长，很难出现环流充分发展的情况＿６ Ｊ，但是可 以清晰辨认横向环流的可能出现位置。每个横断面的左侧为凸 岸，右侧为凹岸。从图７中可以看出，断面Ｌ／曰＝Ｏ．８３７和断面 Ｌ／Ｂ＝１．２５６出现了较为明显的环流趋势，且环流的方向和位置 也十分相似，都是在凸岸区域的近边壁位置，结合两个断面附近 的水面线情况看，在这附近区域都有不同程度的横向比降存在。
试验采用美国ｓｏｎＴｅｋ公司生产的声学多普勒流速仪ＡＤｖ （Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ）测量该河段的瞬时三维流速Ｈ Ｊ。在 靠近水槽边壁１ ｃｍ处采用侧视探头，其它位置采用俯视探头。
试验利用ｗｉｒ曲ｖ和‰ｐｌｏｔ软件进行数据后处理，其空间网格
编制见图２，流速测点网格布置如图３、４所示，弯道段径向每６０ 布置１个断面，主河槽共布置了１１个测流横断面，即Ａ、Ｂ、ｃ．．． Ｋ。本试验主要针对弯道水流的三维水力特性进行研究，由于 弯道水流的结构复杂，为了能够准确地反映流场的变化情况，因 此对测速点的空间网格进行加密，弯道每个断面在距两岸边壁 ５ ｃｍ处均匀地布置６条测速垂线，垂线间距为１０ ｃｍ；沿水深方 向每条测速垂线等间距布置５个测点，这个模型共有测点３３０
的断裂能来表示碳纤维混凝土在相同外部条件下的断裂能，见
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理，边界上脉动流速也只简单地赋值为零，所以图中近边界内水 流脉动强度值不能反映其真实情况，得出的结论排除近边壁区 域‘…。
３结论
采用声学多普勒流速仪对弯道河段水流进行了系统测量， 分析总结如下：水流进入弯道后发生弯曲，由于水流受到重力和 离心惯性力的双重作用，水位沿横向呈曲线变化，形成水面横比 降，最大横比降为ｏ．０４３，出现在弯顶断面￡／曰＝Ｏ．８３７附近，并 且凸岸一侧的流速大于凹岸。断面三／Ｂ＝０．８３７和断面Ｌ／曰＝ １．２５６出现了较为明显的环流趋势，且环流的方向和位置也十 分相似，都是在凸岸区域的近边壁位置且在弯道大部分范围内。 由于弯道水流横比降的形成，水流沿垂线有横方向水流分布，横 向流速分布沿横方向及纵方向上都是变化的，水流进入弯道后 速度开始出现负值，最小值达到了一６．２“ｓ，并且在断面三／曰 ＝１．０５０～２．０９３处现象最明显。断面Ｌ／Ｂ＝１．７６５处，凸岸侧底 部各点流速大于凹岸侧各点流速，邻近底部的液体横向速度增 大，可以证明在凸岸底部已经形成了顺时针的横向环流。在弯 道进口附近，纵向紊动强度较大，尤其是在弯道进口靠近凸岸 处，是紊动强度紊动的核心区，紊动强度有最大值；由于在弯道
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图９纵向紊动强度分布（单位：ｃｍ）
从图９中可以发现，纵向紊动最强的位置正是前面纵向流 速中所介绍的主流线的位置Ｒ／Ｂ＝２．９２处，在该处纵向流速有 最大值，由于离心力的作用，上下层液体的主流线位置不同，导 致同一垂线上的速度大小不同，由于液体的惯性作用和粘滞性 作用，邻层液体之间将产生紊动，流速越大的地方，附近各质点 的能量交换越大。同时，从横断面流线图可知，离心力的作用使 底部流线向上偏转，底部液体进入邻近层，液体之间产生混掺， 交换的能量增加，因此纵向紊动强度增加，由于在弯道进口断 面，只有近底层附近的横向流速有偏转现象，所以ｚ／Ｈ＝０．０４
个。需要说明的是，本试验测速网格不包括水面以及两岸边壁， 在数据处理过程中，边壁流速按零值计算。在笛卡尔三维坐标 系统（石，ｙ，。）中，时均流速３个方向的分量分别用（Ｋ，Ｋ， Ｋ）表示，Ｅ，Ｋ，Ｋ的单位均为Ｉｌｌ，ｓ，网格布置见图４。分别用 水槽的宽度曰、弧长三、弯道半径月和水深矗对线性尺度、各流 速分量和水深进行无量纲化。根据实测试验数据及计算，Ｂ＝ ６０ ｃｍ，厶＝２７ ｃｍ，冗（ｍｉｎ）一Ｒ（ｍａｘ）在１２０—１８０ ｃｍ变化。以 水槽宽度Ｂ、弧长工对Ｘ方向测点进行无量纲化，以水槽宽度 Ｂ半径Ｒ对ｙ方向测点进行无量纲化，ｘ方向１１个测量横断面 距弯道初始断面依次为ｏ，０．２１，Ｏ．４２，Ｏ．６２８，０．８３７，１．０５，１．２５６， １．４６５，１．６７５，１．８８４，２．０９３；ｌ，方向８个测量纵断面距离凸岸槽 壁依次为２，２．０８３，２．２５，２．４２，２．５８３，２．７５，２．９２，３；以＾＝２７ ｃｍ 对ｚ方向测点进行无量纲化，水平面５个测量断面距离槽底依
２０
１５ ｇ
爵１０
５
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１０
１２０
）∥ｃｍ
１３０
２．３河段横向流速分布 由于弯道水流横比降的形成，水流沿垂线有横方向水流分
布，严格来说，横向流速分布沿横方向及纵方向上都是变化的。 图８为实测横向流速水平面、横断面、纵断面等值线云图，从图 ８中可以看出，水流进入弯道后速度开始出现负值，最小值达到 了一６．２ １１１，ｓ，并且在断面三，曰＝１．０５０～２．０９３处现象最明显。 断面Ｌ／日＝１．７６５处，凸岸侧底部各点流速大于凹岸侧各点流 速，邻近底部的液体横向速度增大，可以证明在凸岸底部已经形 成了顺时针的横向环流。 ２．４河段水流的紊动强度
的弯道河 槽进行定量分析，研究水流进入弯道河段的水流特性，
对弯道段水利工程建设也有现实指导意义【２。ｊ。本研究通过水 槽试验，采用先进的声学多普勒流速仪ＡＤＶ对弯道河段水流现 象进行了定性描述，较为全面地研究了该河段水流的三维水力 特性。
试验装置及测试方法
本次试验是在室内水槽中进行的，模型为概化物理模型，没 有实际原型参照，模型试验只考虑重力相似准则以控制模型水 流。试验水槽主要由上、下游过渡直段和中间弯道段所组成，均 为有机玻璃制造。根据天然河流弯道中心角出现的频率，选择 弯道模型的中心角为６０。，弯道中心线曲率半径与底宽比值为 ２．５。试验段过水断面为该圆弧段，底坡ｉ＝０。模型平面布置 情况见图ｌ。水槽中的水流流量按３０ Ｌ／ｓ控制，是通过三角薄壁 堰量测的；水流的深度取２７ ｃｍ，是通过出水口的尾门调节的。
（上接第８０页）
扩展，最终表现为混凝土断裂能的提高。另外，纤维与基体间的
界面脱粘 、摩阻滑移和倾角效应也导致碳纤维混凝土中纤维桥
联区能量的吸收，有很大一部分能量会消耗在纤维拔出所产生 的非主裂纹面以及纤维拉断所需要的能量上‘６Ｊ。
５．３碳纤维混凝土断裂韧度计算方法
由图３和图４可见，随着碳纤维体积率的增加，碳纤维混凝 土的断裂能及其增益比均呈现增长趋势，但增长的速度是变化 的。此处，对试验结果进行四次多项式回归，近似用普通混凝土
刚ｄ ｂｅｄｓ．Ｈｙｄ州．Ｅ１１９．ＡＳＣＥ，２０００，１２６（９）：６７９～６９０．
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流速及流场等。水流进入弯道后，水面形态和水流结构沿流程逐渐发生调整和变化，形成弯道特有的水流运动
规律，具体表现在水面横比降、横向环流、流速重分布及紊动强度等。该研究可为相关的理论研究和工程实践
提供借鉴和理论依据。