水流流速场实验

水流流速场实验

模型试验港航

引言：

水流是泥沙运动的主要动力，在与河床、建筑物之间的相互作用中起到决定性的因素。掌握和了解水流结构及其运动变化规律，是研究和分析河床变形、建筑物相互作用的基础。水流流速场试验系在试验水槽中完成的。综合试验水槽是一座循环供水的多功能性教学试验水槽。水槽断面宽1.2m，高0.4m，纵向长16.6m，设有直线段10m和弯曲段6.6m。水槽两侧装有自动水位测试仪器，另水槽配有流速测量仪器若干。

一、实验目的

掌握和了解水流结构及其运动变化规律。

二、实验内容

1、测量和研究顺直水槽段两侧水位的沿程变化规律。

2、测量和研究弯曲水槽段两侧水位的沿程变化规律。

3、测量和研究顺直水槽段水流流速沿程、沿水深的变化规律。

4、测量和研究弯曲水槽段水流流速沿程、沿水深的变化规律。

5、计算各流速测点的垂线平均流速，推求和研究垂线平均流速沿程、沿宽度的分布规律。

三、实验要求及注意事项

1、要求做实验前，了解实验内容，理解实验原理，明确实验目的。

2、实验前熟悉具体的实验步骤，记录好有关常数。

3、实验时同组之间注意分工明确，协调合作。

4、在整个实验过程中，要特别注意保持安静，切勿人为扰动水流，造成人为误差。

四、实验仪器及设备

主要实验设备及仪器包括试验水槽、水尺、旋浆式流速仪、采点箱。试验水槽（如图1）是一座循环供水的多功能性教学试验水槽。水槽断面宽1.2m，高0.4m，纵向长16.6m，设有直线段10m和弯曲段6.6m，弯曲段中轴线弯曲半径为3m。

图1 循环供水的多功能性教学试验水槽

五、实验原理

如图2所示，在顺直水槽与弯曲水槽各设置3个测流断面，每个测流断面设置3条测流垂线，测量并记录每条垂线处的水位。每条垂线沿水深测量和记录相对水深为0.2h、0.4h、0.6h和0.8h处的流速。根据测量记录的数据分析顺直水槽段与弯曲水槽段水位沿程、沿水槽宽度的分布规律以及水流流速沿程、沿水槽宽度、沿水深的分布规律

。

六、实验步骤

1、阅读和掌握实验目的、实验要求以及实验内容。

2、熟悉和掌握精密水位仪的使用原理与操作方法。

3、熟悉和掌握旋浆式流速仪的使用原理与操作方法。

4、开启水泵，调节水槽尾门，保持沿程水流恒定状态，并观测、记录水位。

5、分别在顺直水槽与弯曲水槽段设置测流断面，每个断面沿水槽宽度设置3个测流垂线，每条垂线沿水深测量和记录3~5点流速。

6、根据实验结果，整理并分析有关数据，绘制顺直、弯曲段水位、流速分布规律图。

七、数据记录与处理

1、各断面水位与测点流速数据记录与处理

表1 各断面水位与测点流速数据记录表

注：①、垂线1靠近水槽左岸，垂线2位于水槽中间，垂线3靠近水槽右岸。

②、垂线平均流速近似取每条垂线水深为0.4h处的测点流速。

2、水位沿程变化图

图3 水位沿程变化图3、水槽直线段（以断面2为例）流速垂向分布图

图4 断面2流速垂向分布图

4、水槽弯曲段（以断面6为例）流速垂向分布图

图5 断面6流速垂向分布图5、垂线平均流速沿程变化图

图6 垂线平均流速沿程变化图

八、成果分析及实验小结

水位沿程变化，如图3，顺直水槽前半段水位有小幅度下降，后半段水位先是上升然后一直下降到弯曲段进口处；弯曲段在顶冲部分之前，凹岸水位上升，凸岸水位下降，过了顶冲部分，凹岸水位开始回落，凸岸水位开始回升，弯曲段中间水位基本保持不变。

顺直水槽段，水流流速沿水深分布，见图4（断面2）。实验数据不太理想，在0.6h处的流速有个极小值，与实际情况不符。理想情况下，时均流速沿水深自水底到水面，纵向流速逐渐增加，呈指数型分布。

弯曲水槽段，水流流速沿水深分布，见图5（断面6）。弯曲水槽段，水流呈螺旋式运动，流速分布相对复杂。从图5可以看出，断面6水槽右岸（垂线1）相比于水槽左岸（垂线3）和中轴线（垂线2），水底流速和表面流速都是最大的，且流速从水底到水面逐渐变大。中轴线（垂线2）和水槽左岸（垂线3）流速沿水深分布相对均匀，这是横向环流增强水平流层间动量交换导致的。

垂线平均流速沿程变化，见图6，顺直水槽段流速略有减小，水槽右岸（垂线1）流速最大，其次是水槽左岸（垂线3），最小的是中轴线（垂线2）。弯曲水槽段流速沿程增加，水槽右岸流速最大，其次是中轴线，最小的是水槽左岸。

九、实验思考题

1、弯曲水槽两侧水位是否相同，哪一侧水位会升高，为什么会有这种差别？答：弯曲水槽两侧水位一般不会相同，在没有其他外在因素的影响下，弯曲水槽外侧水位高。当水流在弯曲水槽中流动时，水流所受质量力，除了重力外，还有

因作曲线运动产生的离心力。水流为了平衡这个离心力，通过调整，使得凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低，形成水面横比降。

2、流速垂线分布呈现什么变化规律，一般可以拟合成几种流速垂向分布的经验公式？

答：一般地，水流纵向时均流速自水面到水底逐渐减小，但流速垂线分布规律根据水流运动性质不同分为两大类。一类为层流流速垂线分布规律，另一类为紊流流速垂线分布规律。

一般地，二元明渠层流流速垂线分布呈抛物线分布。紊流流速垂线分布一般可以拟合成对数流速分布和指数流速分布。对数流速分布的一般公式为：

max 0ln

u y u u y κ

*

=+

，指数流速公式的一般公式为max ()m y

u u H

=。 3、流速垂向分布在顺直水槽段中轴线与两侧附近是否有差别，为什么？

答：有差别。垂线流速垂向分布规律大致相同，但水流在水槽两侧受到壁面摩阻力作用，流速大小相对较小。