基于piv实验的明渠非恒定流摩阻特性研究
第11章_明渠非恒定流
Q vwA vwB
其中， B ( B1 B2 ) / 2
22
二、动量方程
A1 P1
v1－vw A2 v2－vw P2
l
A2 (v2 vw )[(v2 vw ) (v1 vw )] F P P2 1
A2 (v2 vw )(v2 v1 ) F P P2 (11.50) 1
不可压缩流体，ρ
=const
Q=vA
(10.20)
A Q 0 t s
(11.3)
(3) Q / s 0
A / t 0 Q 沿程不变，恒定流
10
11.2 明渠非恒定渐变流的基本方程式
一、连续性方程
( A) ( vA ) 0 t s
不可压缩流体，ρ
=const
Q=vA
(10.20)
A Q 0 t s
(11.3)
A ( Av ) 0 t s
式(11-4)是明渠非 A v A A v 0 (11.4) 恒定流连续性方程 t s s 的另一种表达式
矩形断面明明渠，A=bh
h v h h v 0 t s s
(2) Q / s 0
上 a b t2 ds t1
A / t 0 Z 随 t 下降，落水波
下
a b 下
上
这说明如果流进的 流量少，流出的流 量多，微分区间内 水位将随时间而下 降，明渠中会产生 落水波。
9
11.2 明渠非恒定渐变流的基本方程式
一、连续性方程
( A) ( vA ) 0 t s
11.1 明渠非恒定流的特性及波的分类
一、特性
1、水力要素如u、Q、A、Z或h等都是时间t和 位置s的函数，它是非恒定的非均匀流动。
水力学专题 明渠非恒定流
z z z z zw zw udz vdz u w v w w u b v b w 0 z z x b y b y y x z z w x z zb
结合边界条件：
z w (hu ) (hv ) 0 t x y
三、水波的分类 明渠非恒定流是一种具有自由水面的波动 （一）按主要作用力分 重力波（gravitational wave） ：主要恢复力为重力――洪水波 表面张力波（capillary wave） ：风波成长初期的涟波 压力波（compression wave） ： （少见――水下爆破引起等） （二）按质点运动方式分 振动波：波运动时，其水质点沿封闭的轨迹运动――海洋波浪 运行波：波运动时，水质点不断行进――洪水波
u
z zw
u
v
w
z zw udz u w z x b x
dw
zb x
z zb
z zw vdz v w z y b y
v
z zw
zb y
z zb
zw
zb
w dz 0 z
w w w dx dy dz x y z
这里，我们只给出了两个方向的动量方程，z 方向的动量方程省去了。事实 上，由于垂向上的加速度和重力加速度相比可以忽略，垂向的速度 w 很小，所以
w 亦可以忽略。因此，垂向上的重力加速度和压力梯度平衡：
p g z
直接积分得： p g ( z w z )
一般地，河道中的水流均为紊流，所以要研究河流中的平均运动，就要用 雷诺时均方程，雷诺时均方程和 NS 方程相比，只是增加了紊动切应力项。 由于脉动流速在各方向上具有相同的数量级，所以雷诺应力在各方向上也 具有相同的数量级。但只是他们的梯度出现在方程中，而雷诺应力在垂向变化的 距离比纵向和横向上的小得多，故垂向上的梯度变化是最重要的。 鉴于此，描述自由表面流动的雷诺方程可简化为：
明渠非均匀流摩阻流速研究
实 验所 选用 的水位 仪式 武汉大 学泥 沙实 验 中心 自主 研制 的 ＬＨ一１型 自动水位仪 ，采样 输出频率 ５０Ｈｚ，精度在 ０．０ｌｍｍ ，
在测量 流速 的前后测量两组水位沿程水位变 化值 ，取 两次水 位测量结果 的平均值 。
三 、 实 验 结 果 分 析
１． 圣 维 南方 程 法 理 论 推 导 公 式
ｆ＝ｒｈｉ一（１一Ｆｒ ） ＿ｄｈ
（５）
式中 ， 为弗劳德 数 ，Ｆｒ＝“／，／ｇｈ。
收稿 日期 ：２０１６—０４—１４ 作者简介 ：张小峰 ，（１９６２一），男 ，浙江嵊州人 ，武汉大学水 资源 与水 电工程科 学国家重点实验室 ，教授 ，研究方向为水
力学及河流动力学 。
第 ７期
第 １６卷 第 ７期
２０１６生
７月
中 国 水 运
Ｏｈ ｉ ｎａ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ
ＶｏＩ．１６ ＪｕＩＹ
Ｎｏ．７ ２０１６
明渠非均匀流摩阻流速研究
张小峰 ，王 冠
（武汉大 学 水资源与水 电工程科 学国家重点实验 室，湖北 武汉 ４３００７２）
摘 要 ：摩 阻流速反应 了明渠流床面切应力 的大小 ，是决定紊动混合系数 的主要 因素 。确定摩 阻流速 的方法很多 ，
阻流速 的计算提供 了一种方法 。
关键 词：非均 匀流 ；圣 维南方程 ；床面切应力 ；摩阻流速
中图分类号：ＴＶ１３３．１
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１００６—７９７３（２０１６）０７—０１８６—０２
一 、 引 言 摩阻流速是一个无量纲 的参 数 ，因为其直 接反应床面切 应力 的大小 ，一般分为直接测量 和间接测量法 ，但是在实验 水槽 中直接测量法对实验精度要 求较 高 ，在天然河道 中，直 接测量局部切应力大小更是困难。Ｐｒｅｓｔｏｎ［ ｌ根据毕托管 的原 理提 出测量床面切应力的方法 ，Ｄｒｉｎｋｅｒ［ 、Ｈｅａｄ［３１和 Ｐａｔｅｌｌ４】 等先后对该方法 的精度进行 过研究。间接方法有 ：对数流速 法 ，指数流速法＿５】，紊动动能法 ＿６】，以及雷诺应力法等 。 二 、实验装置和实验方案 １． 实验 水槽 实验 分别在两个不 同坡度 的水槽 中进行 。第一 个水槽 ， 采 用混凝 土设计 的全长 ２３ｍ，宽度 ｌｍ，高度 ０．６ｍ 的顺直 型矩形水槽 ，坡度为 ｉ＝０．００３的顺坡 ，沿程为宽度不断的矩 形断面。实验 流量 出 口由水泵提供流量 ，用精度在 ０．０１Ｌ／ｓ 的 电磁流量计来显示流量 的变化 。在 玻璃水槽 中 ，进行了 同 样 的试验 研究，玻璃水槽长 ２０ｍ，宽 ０．６ｍ ，高 ０．７ｍ 的 ， 底部坡度 ｉ＝０．０００８，水槽两壁均为光滑的玻璃 ，同样 由水泵 提供 水流 ，该玻璃水槽有外置静水箱 ，保证 水流的稳定性 ， 水流进 入试验 段以后，从尾 门流 出，形成完整 的水循环系统 。 实验工况 由调节尾门的开度控制 。 ２． 实验 设 计 在混 凝 土水槽 中距离水 流 出 ＩＣｌ处 ５ｍ ，６．５ｍ ，８ｍ ， ９．５ｍ ，１ ｌｍ，１２．５ｍ 处设置一个试验断面 ，分别标记为 断 面 １ ，２ ，３ ，４ ，５ ，玻璃水槽在 距离水 流出 Ｅｌ处 ４ｍ ， ５．５ｍ ，７ｍ ，８．５ｍ 处设置一个试验断面 ，分别标记为 断面
基于PIV技术的明渠非恒定流试验系统
第28卷第2期重庆交通大学学报(自然科学版)V o.l 28 No .22009年4月J OURNA L O F C HONGQ I NG JI AOTONG UN I VER SI TY (NATURAL SC IE N CE)A pr .2009基于PI V 技术的明渠非恒定流试验系统收稿日期:2008 11 11;修订日期:2008 11 25基金项目: 十一五 国家科技支撑计划项目(2006BAB05B01)作者简介:胡 江(1977 ),男,四川绵阳人,博士,主要从事水力学及河流动力学的研究及教学工作。
胡 江,杨胜发,王 涛(重庆交通大学河海学院,重庆400074)摘要:建立了一套高精度的明渠非恒定流试验系统,通过计算机及变频器控制水泵转速产生非恒定流过程,由电磁流量计、超声水位计实时监测流量和水位变化过程,并通过PIV 流场仪进行流场测量。
该系统不但能生成连续、稳定的周期性非恒定流过程,很大程度改进了明渠非恒定流的试验手段。
关 键 词:明渠非恒定流;粒子成像速度场;试验系统中图分类号:TV 133 2 文献标志码:A 文章编号:1674 0696(2009)02 0306 04Experi m ental Syste m for Unsteady F lo w s of O pen ChannelBased on P I V TechnologyHU Jiang ,YANG Sheng fa ,WANG T ao(School o f R i ver &O cean Eng i neering ,Chongqi ng Jiao tong U niversity ,Chongqing 400074,Ch i na)Abstrac t :O ne experi m ental syste m w ith h i gh accuracy is estab lished for unsteady flows o f open channe ,l wh i ch can gene r a te conti nuousl y unsteady fl ow s through the rota ti on speed o f w ater pump controlled by compu ter and transducer T he discharge and t he chang e o fw ate r leve l are m on itored i n rea l ti m e by e l ec trom agnetic fl ow m eter and u ltrason ic w ater l eve l re corde r ;and the fl ow fie l d m easure m ent are carried out by particle i m ag i ne ve l oc ity (P I V ) It i s showed tha t the exper i m ent syste m can not only genera te unstab l e flo w s conti nuously and stab l y ,bu t a lso pro m ote the experi m entalm easures o f unstead y fl ow s o f open channe l K ey word s :unsteady flo w s of open channe;l P I V (P arti c le I m ag i ne V e locity);expe ri m en tal system1 引 言明渠非恒定流的特性一直是水力学及河流动力学普遍关心的基础问题。
PIV粒子测速技术在污水排海管道内流研究中的应用
PIV粒子测速技术在污水排海管道内流研究中的应用
吴玮
【期刊名称】《实验流体力学》
【年(卷),期】2013(027)005
【摘要】PIV粒子测速技术与其它测速技术相比,具有实时性和无干扰性的优点.本文以污水海洋排放系统内部海水入侵形成的复杂流动为例,将PIV测速技术应用于管道内部的非恒定密度分层流研究.海水入侵海洋扩散器将会大大降低污水处置效率,尤其是在早期建造的没有海水入侵防护装置的污水海洋处置工程中,这个问题显得尤为突出.本文在实验室里建造了一个简化的污水海洋排放系统模型,采用PIV粒子测速系统对排放管道内的流速场进行测量,在此基础上对排放管道海水入侵过程及其发展机制进行了分析.实验研究结果表明,排污流量是影响排放系统内部流动型式的主要因素,密度分层流交界面的卷吸和紊动掺混是排出入侵海水的主要动力,而且这两种动力在排出海水时所起的作用比重不同,主要取决于排污管道内的污水动量.
【总页数】8页(P25-32)
【作者】吴玮
【作者单位】苏州科技学院,江苏苏州 215003
【正文语种】中文
【中图分类】TV134.1
【相关文献】
1.微通道内流的微尺度粒子图像测速技术实验研究 [J], 王昊利;王元;邢丽燕
2.粒子图像测速(PIV)技术在烟丝流量检测中的研究 [J], 曾蕾;赵立宏
3.粒子测速技术和透明土在土与结构动力相互作用研究中的应用 [J], 赵红华;葛玉宁;李鹏飞
4.粒子图像测速(PIV)技术在风沙环境风洞中的应用 [J], 钱广强;董治宝;王洪涛;罗万银
5.粒子图象测速技术在内燃机缸内流场研究中的应用 [J], 杨延相;王天友;刘宁;林荣文
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明渠非恒定流的有关特性及应用
明渠非恒定流的有关特性及应用明渠非恒定流是水文学中的一种流水分类，用于描述在一段时间内水流变化较大，或者由于水库中存储的水量发生变化而导致流量变化明显的水系。
明渠非恒定流具有比较特殊的工程性质，因此具有许多重要的特点。
明渠非恒定流下流量变化较大，因此一般不能像恒定流一样使用相同的测量方法来获取流量数据。
为了精确测量明渠非恒定流的流量特性，通常采用汇流渠流量评估的办法，即将汇流渠的流量实测值作为明渠的输入，从而准确评估明渠的流量大小。
明渠非恒定流的流量变化较大，因此其水库的建设和管理也相对复杂。
水库的建设必须考虑到上游的水位变化情况，以便在必要时采取应急措施增加水位，以应对明渠非恒定流下水位变化带来的影响。
此外，明渠非恒定流的水量变化也可能会影响水质，因此必须考虑水质保护的因素，避免水质变差。
除了控制水质，明渠非恒定流的管理还应有效避免洪水的发生，并采取有效的应急措施以减轻洪水带来的影响。
明渠非恒定流的应用范围很广，可以将其用于水利工程、水文测量、水环境监测和水库管理等领域。
在水利工程中，明渠非恒定流可用于保障干支水量的稳定性，以及调节水位，改善水质，杜绝洪水等。
在水文测量方面，明渠非恒定流可以检测水位变化，以及测量水量变化等。
在水环境监测中，明渠非恒定流可以使用测量方法来监测水质，以及控制对水环境的危害。
在水库管理方面，明渠非恒定流可以用来计算水库的蓄水量，控制入渠流量以及洪水的发生等。
总之，明渠非恒定流是一种特殊的流水系统，具有比较特殊的工程性质，在水利工程、水文测量、水环境监测和水库管理等领域应用广泛，可以保障干支水量的稳定性，改善水质，控制水位变化，以及控制入渠流量等。
因此，妥善管理明渠非恒定流将有助于改善水系状况，保护水质，维持水资源的正常运转，以及改善水质环境。
湍流边界层均匀动量区统计分形特性的PIV实验研究
湍流边界层均匀动量区统计分形特性的PIV实验研究陈怡纯;田海平;马国祯;陈纪仲【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2024(56)1【摘要】均匀动量区(UMZs)作为动量相近的局部区域成为新的湍流拟序结构成员,研究其统计特性与变化规律、分析其成因和研究其与其他湍流结构的内在关联,是深入认识壁湍流的重要途径.通过粒子图像测速系统(PIV)测量得到了具有高时空分辨率的湍流边界层流法向流场,对UMZs分区和界面位置等进行了统计,并基于瞬态流场分析了UMZs分界线与发卡涡(包)为主的湍流结构的位置关联,结果发现:UMZs流向速度概率密度函数(PDF)和界面厚度的统计分析呈现普适的分形特性,且不受湍流/非湍流界面(TNTI)和雷诺数的影响;瞬态流场UMZs数目在湍流间歇区较大,而湍流结构发展充分、层次丰富时的瞬态流场UMZs数目却较少;壁湍流涡包结构内多个发卡涡的空间分布规律决定了UMZs的统计分形特征;在近壁UMZs分界线向湍流结构存在区域集中靠拢,在外区UMZs分界线穿越展向涡核,正向涡旋导致UMZs分界线在法向上的聚集,反向涡旋引起UMZs分界线在流向上产生分离.【总页数】11页(P34-44)【作者】陈怡纯;田海平;马国祯;陈纪仲【作者单位】太原理工大学流体力学科研创新中心;太原理工大学力学国家级实验教学示范中心【正文语种】中文【中图分类】O357【相关文献】1.湍流边界层内不同粒径颗粒行为的PIV实验研究2.正弦波沟槽对湍流边界层相干结构影响的TR-PIV实验研究3.湍流边界层等动量区演化机理的实验研究4.基于非均匀查询窗口PIV技术的湍流边界层特性实验研究5.大尺度类波形壁面湍流边界层TR-PIV实验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水力学基础课件：7第七章 明渠非恒定流
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §2 明渠非恒定流的特性
2 明渠非恒定流的特性
特性之三：明渠非恒定流中各断面的水位与流量 形成绳套形关系曲线
z z最大
Q z Q最大
z最大
O
Yangzhou Univ
Q最大 Q
O
t1 t1+△t t
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §3 明渠非恒定渐变流的圣维南方程组
运动要素随时 间缓慢地改变
近似为恒 定流
瞬时流线可近 似为平行直线
近似为均 匀流
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §2 明渠非恒定流的特性
2 明渠非恒定流的特性
特性之二：明渠非恒定流也是一种波动现象
棱柱体明渠中的洪水波运动分析
C
V
2. 波前到达，断面涨水； 波后到达，断面退水； 波峰通过，则断面上出 现最大流量值
J波前 J均匀流 J波后
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §2 明渠非恒定流的特性
2 明渠非恒定流的特性
特性之二：明渠非恒定流也是一种波动现象
棱柱体明渠中的洪水波运动分析
3. 洪水波在运动过程中 会不断地坦化或衰减
C
V
沿程各断面实测流量（水位） 过程线上的最大值沿程减小
3 明渠非恒定流的圣维南方程组
Q Q(t, L) z z(t, L)
V V (t, L)
或
h h(t, L)
方程组包括:
反映质量守恒的连续性方程式 反映能量守恒与转换定律的运动方程式
Yangzhou Univ
《水力学》 第七章 明渠恒定流 §3 明渠非恒定渐变流的圣维南方程组
明渠非恒定流流速分布及推移质运动研究进展
明渠非恒定流流速分布及推移质运动研究进展
马爱兴;陆彦;陆永军;曹民雄
【期刊名称】《水科学进展》
【年(卷),期】2012(23)1
【摘要】明渠非恒定流流速分布及非恒定流作用下推移质运动分别是水力学和泥沙运动力学研究中的重要问题之一。
近几十年来,国内外许多学者在这些领域做过很多探索,取得了一定进展,也存在较多问题。
在总结相关研究成果的基础上,简述了明渠非恒定流试验方法、流速分布、床面切应力、非恒定流输沙与水流运动不同步现象、产生原因、以及非恒定流推移质输沙公式等方面的成果,指出了现有研究中存在的不足,提出了需要进一步研究的关键问题:应用先进的量测仪器,研究非恒定流作用下非均匀沙运动输移规律。
【总页数】9页(P134-142)
【关键词】明渠非恒定流;非恒定参数;流速分布;床面切应力;推移质运动;研究进展【作者】马爱兴;陆彦;陆永军;曹民雄
【作者单位】南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TV122.2;G353.11
【相关文献】
1.非恒定流作用下砾石推移质输移特性试验研究 [J], 马爱兴;陆永军;陆彦;黄廷杰
2.明渠均匀流的摩阻流速及流速分布 [J], 刘春晶;李丹勋;王兴奎
3.非恒定流垂线流速分布规律的初探 [J], 乐培九;方修泮
4.非恒定流作用下的推移质泥沙输移实验研究 [J], 段自豪; 陈杰; 蒋昌波; 邓斌; 隆院男; 伍志元; 屈科
5.明渠非恒定流推移质输沙试验研究 [J], 刘春晶;曲兆松;李丹勋;王兴奎
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【水利课件】第14章 明渠非恒定流
由数字高程模型提取的沿渡河流域水系图
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摞?<跌u孄??餽p嬑 Jk萘秣?k贤
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hhVVh0 t s s
明渠非恒定渐变流的能量方程式（运动方程式）
z1VVVhf
s g t g s s
沿单 流位 程重 的量 变液 化体 率的
势 能
（ 惯作 性用 力于 沿单 流位 程重 所量 作液 的体 功上
）
（
惯作 性用 力于 沿单 流位 程重 所量 作液 的体 功上
）
克单 服位 磨重 擦量 阻液 力体 所沿 作单 的位 功流
侢 } ?S? V鄟?佹饟
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程
z1VVVhf s g t g s s
或
z1VVVQ2 0 s g t g s K2
或
h 1V VV
V2
s g t
g s
iC2R
基于piv技术的管道流流动特性研究
Abstract: Based on the two phase flow of different media, the research of PIV technology on flow law of pipeline flow field was introduced. The advantages of the PIV technology in gas-solid, gas-liquid and solidliquid two-phase flow were summarized which shows that the application of PIV technology to pipeline flow research can not only improve the accuracy of measurement but also accurately characterize the flow field flow characteristics. The influences of tracer particle, flow field formation factors and vortex phenome non on the research were analyzed. The shortcomings of PIV technology in pipeline-flow research were put forward. Further more, it is pointed out that PIV technology and numerical simulation theory should be combined to establish a real and reflective flow model in order to obtain better research results. Key words:PIV technology； pipe flow field； two-phase flow； flow characteristics
第十一章-明渠非恒定流
选学内容
第十一章明渠非恒定流
目的: 明渠水流的流速、水深（或水位、流量）等随时间和流程的变化规律。
★11-1 明渠非恒定流的特性及波的分类
一、明渠非恒定流的主要特性
1. 明渠非恒定流必定是非均匀流。
2. 明渠非恒定流也是一种波动现象。
管道非恒定流是压力传播, 明渠非恒定流是重力传播。
明渠非恒定流的波由波额（波的前锋, 又称波锋）及波体（波的躯体）组成。
为波速。
3．波所及之区域内, 各过水断面水位流量关系一般不再是单一稳定的关系。
原因是水面坡度的变化。
二、明渠非恒定流波的分类
1. 连续波和不连续波
从明渠非恒定流的水力要素随时间变化的急剧程度来分。
连续波: 水力要素随时间改变缓慢（非恒定渐变流）, 水力要素可视为流程与时间的连续函数。
不连续波：水力要素随时间改变剧烈（非恒定急变流）, 水力要素不为流程与时间的连续函数。
前者如河流洪水波, 水电站调节引起的非恒定流；后者如溃坝波, 潮汐波。
2. 涨水波和落水波
涨水波：当波到达后, 引起明渠水位抬高者。
落水波: 当波到达后, 引起明渠水位下降者。
3. 顺波和逆波
顺波: 波的传播方向与水流方向一致。
逆波: 波的传播方向与水流方向相反。
如闸门开启及关闭时上下游的波的传播。
开启时, 上游是落水逆波, 下游是涨水顺波；关闭时, 上游是涨水逆波, 下游是落水顺波。
基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响
第37卷第6期2023年12月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .37N o .6D e c .,2023收稿日期:2023-05-22资助项目:国家自然科学基金项目(52279056); 十四五 重点研发计划项目(2022Y F F 130009505) 第一作者:谷方正(1999 ),男,在读硕士研究生,主要从事水土保持研究㊂E -m a i l :m g u 999@b j f u .e d u .c n 通信作者:张会兰(1984 ),女,博士,教授,主要从事水文与水沙动力过程研究㊂E -m a i l :z h a n g h l @b jf u .e d u .c n 基于P I V 的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响谷方正1 ,张会兰1,2,王铃涵1,夏绍钦1,孙虎1(1.北京林业大学水土保持学院,北京100083;2.北京林业大学重庆缙云三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站,北京100083)摘要:粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y ,P I V )观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线㊁紊动强度㊁雷诺应力和壁面切应力的变化规律㊂结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A 成反比,与积分系数B 成正比㊂(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似㊂流向紊动强度随相对水深的增大而减小㊂随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异㊂渐变粗糙床面下流向紊动强度符合N e z u 经验公式,流量与经验系数成正比㊂(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似㊂在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y /H =0.2~0.4处㊂随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大㊂综合表明,增加P I V 分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究㊂探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路㊂关键词:水动力特性;坡面流;粒子图像测速技术(P I V );渐变粗糙床面;粗糙度中图分类号:S 157.1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2023)06-0018-07D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2023.06.003T h e I n f l u e n c e o fG r a d i e n t S u r f a c eR o u g h n e s s o n t h eH y d r o d yn a m i c C h a r a c t e r i s t i c s o fO v e r l a n dF l o wB a s e do nP I VG U F a n g z h e n g 1,Z H A N G H u i l a n 1,2,WA N GL i n g h a n 1,X I AS h a o qi n 1,S U N H u 1(1.S c h o o l o f S o i l a n d W s t e rC o n s e r v a t i o n ,B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100083;2.C h o n g q i n g J i n y u nF o r e s tE c o -S y s t e m R e s e a r c hS t a t i o n ,B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100083)A b s t r a c t :R o u g h n e s s i s ak e y f a c t o r a f f e c t i n g t h eh y d r o d yn a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f o v e r l a n d f l o w.I no r d e r t o e x p l o r et h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so fo v e r l a n df l o w u n d e rt h ei n f l u e n c eo f g r a d i e n tr o u g h n e s s ,u s i n g p a r t i c l e i m a g e v e l o c i m e t r y (P I V )t oo b s e r v e a n d a n a l y z e t h e v e l o c i t yp r o f i l e ,t u r b u l e n c e i n t e n s i t y ,R e yn o l d s s t r e s s a n dw a l l s h e a r s t r e s so f t h eo v e r l a n df l o w u n d e r t h e t h r e e g r o u pso f f l o wr a t e s .T h er e s u l t ss h o w e d t h a t :(1)T h e f l o w v e l o c i t y d e c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s eo f r o u g h n e s s ;t h e l o g a r i t h m i c f o r m u l ao fv e l o c i t y d i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e db y f i t t i n g t h ed i m e n s i o n l e s sv e l o c i t y .T h ei n c r e a s eo fr o u g h n e s s w a si n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e f i t t i n g c o n s t a n tAa n d p r o p o r t i o n a l t o t h e i n t e gr a l c o e f f i c i e n t B .(2)T h e t r e n do f s t r e a m w i s e t u r b u l e n c e i n t e n s i t y o f g r a d i e n t s u r f a c e r o u g h n e s sw a s s i m i l a r t o t h a t o f s m o o t hb e ds l o p e .T h e s t r e a m w i s e t u r b u l e n c e i n t e n s i t y d e c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s eo fr e l a t i v e w a t e rd e p t h .W i t ht h e i n c r e a s eo fr o u g h n e s s ,t h e r ew a san o n s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h ei n t e n s i t y o fs t r e a m w i s et u r b u l e n c e .T h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yu n d e r t h e g r a d i e n tr o u g h b e d w a sc o n s i s t e n t w i t ht h e N e z ue m p i r i c a lf o r m u l a ,a n dt h ef l o w r a t e w a s p r o p o r t i o n a l t o t h e e m p i r i c a l c o e f f i c i e n t .(3)U n d e rd i f f e r e n t f l o wr a t e s ,t h eR e yn o l d s s t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h e g r a d e d r o u g hb e dw a s s i m i l a r t o t h a t o f t h e s m o o t hb e d .U n d e r t h e i n f l u e n c e o f r o u g h n e s s ,t h em a x i m u m R e y n o l d s s t r e s s a p p e a r e d a t y/H =0.2~0.4.W i t h t h e i n c r e a s e o f r o u g h n e s s ,t h ew a l l s h e a r s t r e s s i n c r e a s e d g r a d u a l l y .T h e s y n t h e s i s s h o w e d t h a t t h em e t h o d o f i n c r e a s i n g P I Vr e s o l u t i o n c o u l d b e a p p l i e d t o t h e s t u d y o f h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s o fo v e r l a n df l o w.E x p l o r i n g t h e i n f l u e n c eo f g r a d i e n t r o u g h n e s so ns l o pe f l o wa n de x p l o r i n g t h e h y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s of s l o p e f l o w p r o v i d e n e w i d e a s f o r t h e o r e t i c a l r e s e a r c ho f s o i l a n d w a t e r c o n s e r v a t i o n.K e y w o r d s:h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c;o v e r l a n df l o w;p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y(P I V);g r a d i e n tr o u g hb e d s u r f a c e;r o u g h n e s s坡面流是指降雨或融雪在重力作用下,扣除截留㊁填洼㊁下渗等损失后的一种沿着坡面运动的浅层明流[1]㊂坡面流是地表径流的起始阶段,通常以坡面漫流形式出现,是剥离土壤㊁搬运土壤颗粒和泥沙输移的主要动力[2],其水动力特性通常可通过流速㊁阻力系数㊁流型和流态等[3]水动力参数反映,因而坡面流水动力特性是研究坡面流水力侵蚀的基础㊂目前,国内外学者通过数值模拟[4]㊁野外试验[5]以及室内试验[6]等方法观测坡面流水动力特性并进行大量研究㊂大量研究[1,7-8]发现,坡面流水力特性易受土壤质地㊁下垫面形态结构㊁地表粗糙度以及植被排列结构等因素影响㊂在实际中,坡面流水深极浅通常为毫米量级[1],受地表粗糙单元影响显著[8-9]㊂在自然界中,坡面流下垫面情况复杂多变㊂坡面流在发生发展过程中,地表粗糙度往往不呈现单一粗糙度的特点,而以逐渐变化的形式存在,例如,在河漫滩地区通常从粗砂过渡到细砂,河口地区附近以粗粉砂过渡到细黏土,在滑坡㊁泥石流等自然灾害影响下的山区河川地区,下游地区床沙级配宽于上游地区[10]㊂地表粗糙度的复杂变化加大坡面流运动的复杂性[11]㊂受粗糙度影响,坡面流沿坡面运动高低起伏,水流紊动特性在不断改变,使其沿坡面方向水动力特性发生不断变化㊂在粗糙度逐渐变化情况下,坡面流水动力特性如何变化少有研究㊂目前,对于室内模拟下垫面粗糙的坡面流试验其流速测量方法大部分采用流量法[12]和染色剂示踪法[13],2种测量方法都为单点测量,所测的流速为坡面流平均流速㊂受制于测量技术无法测量到粗糙床面至水面的流速分布,对坡面流的流速轮廓线㊁紊动强度㊁雷诺应力和壁面切应力等水动力学参数的研究较少㊂粒子图像测速(p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y,P I V)技术是瞬时二维流场的流速测量技术,具有不干扰测试流场,摆脱单点测试局限实现测试对象的全程动态测量优势,准确捕获瞬时流场矢量值,提供流场信息[2,14]㊂基于该项技术,Y a n g等[15]测量坡面流的流速分区,并进一步计算光滑床面下坡面流的紊动强度与雷诺应力等水动力参数㊂将重点研究渐变地表粗糙影响下的坡面流水动力特性,探究粗糙度逐渐改变情况下与光滑床面下坡面流的流速㊁雷诺应力㊁紊动强度和壁面切应力的不同㊂因粗糙度由小变大分布是自然界的常见分布模式,也是室内试验中其他类型渐变粗糙度模拟的基础,所以,设置地表粗糙度沿水流方向逐渐增大的工况㊂将P I V观测应用于水土保持研究中较少,尝试通过提高P I V分辨率,将粒子图像测速(P I V)技术观测应用到坡面流的观测之中,通过拍摄计算进而分析紊动强度㊁雷诺应力和壁面切应力等水动力学特性㊂研究结果有助于进一步认识坡面流水动力特性,丰富坡面流侵蚀理论,为深入认识复杂下垫面条件下的坡面流理论提供研究技术与数据支撑㊂1材料与方法1.1试验设备试验于2023年1月10日在北京林业大学水土保持学院水蚀机理实验室进行㊂试验水槽长㊁宽㊁高分别为12.4,0.3,0.3m,水槽边壁由钢化玻璃制成,边壁光滑,对水流结构影响小㊂水流由明渠水槽自动控制系统J F C控制㊂试验水槽的控制系统由数字式智能采集控制箱㊁专用线缆和测控软件组成,可实现供水的全自动控制和水流的自循环流动㊂为稳定水流且避免水流出现较大的紊动结构,在水槽出口处安设蜂窝状的硬质管,使进入试验段的水流基本平行于床面㊂水槽尾部设置尾门,调节尾门可以使水槽中的水流达到均匀流的状态㊂同时在水槽中沿程放置6个超声波水位计,以观测水位的沿程变化㊂P I V量测系统由C MO S相机㊁Z K-L A S E R的高频绿光激光器㊁示踪粒子和P I V流场计算软件组成(图1)㊂示踪粒子使用密度为1.06ˑ103k g/m3的空心玻璃珠,直径为10μm㊂空心玻璃珠与水的密度相近,亲水性好,能够有效示踪水流且较好反射激光保证成像清晰㊂相机最高像素为2560ˑ1920,频率为1000H z㊂为保证高频激光与相机频率一致,使用同步器控制且保证无拖尾现象㊂采用D u t y C y c l e模式采集流场,设置2对瞬时流场间隔0.1s㊂每次试验共计拍摄照片10000张(5000对流场),满足流场分析条件㊂在流场处理时,计算窗口像素大小16ˑ16,重叠率为50%,计算流场最终分辨率为8ˑ8像素㊂结果表明,试验获得的紊动强度和雷诺应力分布特性与现有经典结果[2]吻合较好㊂为保证水流充分发展[16],相机放置在距离入口8 m处㊂为满足坡面流水深极浅的拍摄条件,通过增加相机与镜头间的接圈增加P I V分辨率[2],最终分辨率高达70.9p i x e l s/mm,测量效果好㊂91第6期谷方正等:基于P I V的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响图1试验原理示意1.2试验工况为使渐变粗糙度的设计更好符合实际自然条件,根据‘S L42-2010-河流泥沙颗粒分析规程“粒径的划分,沙砾粒径范围在0.062~2mm㊂研究选取4种粒径范围的沙砾作为粗糙单元进行床面制作㊂试验模拟粗糙床面的粗糙单元材料选取河里水洗粗砂㊂经过筛分,4种粗糙单元的粒径范围分别为0.2~0.3, 0.4~0.6,0.9~1.1,1~3m m㊂根据S a d e q u e等[17]的方法,以中值粒径D50来表示地表粗糙度(k s)㊂通过粒径分析仪器测出D50分别为0.201,0.505,1.043, 2.037mm㊂4种粗糙单元各占P V C板10c m,粗糙单元由小到大使用清漆黏合在1m的P V C板上, P V C板前面留有50c m光滑部分㊂研究进行3组不同流量(0.4,0.5,0.6L/s)试验㊂保持各组水槽的底坡(i=0.001)不变,通过调节水槽尾门保证水流尽可能接近均匀流㊂试验工况参数见表1㊂表1按粗糙度由小到大排列㊂为防止坡面流水深过浅而出现滚波影响坡面流特性,水深(H)均> 0.5c m[2]㊂试验中流速(U)为0.08~0.21m/s,雷诺数(R e)<5000,属于过渡流㊂在1~3组工况中,H和R e 逐渐变大㊂所有工况中,宽深比(B/H)均>5[18],满足二维流动,忽略边壁对试验影响㊂光滑组次包括在所有工况中,其作用为对照渐变粗糙度下的坡面流与光滑明渠流紊动差异特性㊂表中ν为运动黏滞系数(c m2/s),ν=0.01775/(1+0.0037t+0.00022t2),其中t为温度(ħ)㊂表1研究试验工况参数工况Q/(L㊃s-1)粒径/mm H/c m B/H R eν/(c m2㊃s-1)00.9232.68648.010.0160.2~0.31.1725.66812.380.015 10.40.4~0.61.3122.85813.190.0150.9~1.11.3222.78812.090.0151.0~3.01.3322.54819.580.01501.1127.00883.200.0160.2~0.31.2823.401008.430.015 20.50.4~0.61.4021.381010.910.0150.9~1.11.4820.231004.890.0151.0~3.01.5219.741012.750.01501.2124.711029.360.0150.2~0.31.4420.821204.970.015 30.60.4~0.61.5619.281201.880.0150.9~1.11.6717.951192.270.0151.0~3.01.7117.531201.410.01502水土保持学报第37卷1.3 计算方法(1)流速分布与流速轮廓线㊂通过P I V 拍摄测量得到流场瞬时流速场,在光滑床面流速轮廓线采用其K e u l e ga n [19]提出的通用公式为:uu *=A l g (y u *ν)+B (1)对于加糙床面的流速分布,K e u l e ga n [19]考虑到糙率的影响,将变化为公式(2)㊁公式(3):u u *=A l g (Yk s)+B (2)u *=g H J (3)式中:拟合常数A =2.3/k ,Y =Y T +Y 0,Y 0=0.15d ;d 为沙砾中值粒径(m m );u 为流场中的点流速(c m /s);u *为摩阻流速(c m /s );J =s i n S ,S 为坡度(ʎ);g 为重力加速度(m /s 2),为9.8;y 为测点据床面的距离(c m );k s 为粗糙高度即粗糙度(mm );k ㊁B 分别为卡门常数与积分常数㊂其中定义相对水深η=y /H ,其中y 和H 均为从理论床面(图2)起算的水深,光滑床面的理论床面位于水槽底部,但粗糙床面流速为0处并不位于渠面底部,通常需计算理论床面位置㊂理论床面确定的方法较多[16,20-21]㊂粗糙床面的理论床面位置根据实测流速资料按相关系数最大法[16]推求,结果显示,各工况理论床面约在颗粒顶部以下(0.142~0.156d ),平均约为0.15d ㊂图2 理论床面示意(2)紊动强度㊂紊动强度是流速的二阶矩,表示流体质点的脉动强度[2],计算公式为:u '=1N ðn i =1(u i -u )2(4)v '=1Nðn i =1(v i -v )2(5)式中:u '和v '分别表示x 和y 方向上的紊动强度;u i 和v i 表示第i 个流场的流向和垂向的瞬时流速(c m /s );u 表示流向方向的时均流速(c m /s );v 表示垂向方向的时均流速(c m /s );N 表示流场的个数㊂(3)雷诺应力㊂雷诺应力是流体质点2个方向脉动强度乘积,表示2个流体质点间碰撞的强弱程度[2],计算公式为:-u 'v '=-1N ðni =1(u i -u )2v i(6)式中:-u 'v '表示雷诺应力,其中u i ,v i 和u 参照公式(4)和公式(5)计算所得㊂(4)壁面切应力㊂由N-S 方程推导的总应力沿水深[2],计算公式为:τρ=-u 'v '+ν∂U∂y =u 2*(1-y H )(7)τ0=ρu 2*=ρg R J (8)式中:τ为切应力(N );公式(7)ν∂U∂y表示黏性应力,由摩擦力产生(c m 2/s 2);τ0为壁面切应力(N /m 2);ρ为水的密度(K g/m 3),与温度相关;R 为水力半径(m )㊂2 结果与分析2.1 渐变地表粗糙度影响下的坡面流流速垂向分布在明渠水流中,流速研究是水动力学特性中最为重要的基础部分㊂在坡面流水深极浅的情况下,传统流速测量方法并不能较好地测量流场瞬时状态㊂测量使用P I V 粒子图像观测技术,满足从床面到水面多点观测且观测不改变流场状态,提高观测精度高和结果准确性㊂根据工况所示,最小宽深比(B /H )为17.53,满足二维流计算要求且忽略边壁效应㊂图3为研究流量下流向流速(u )的轮廓线,k s 为边壁的等效粗糙度㊂各组最大流速出现在粗糙度最小处,最大流速随着流量的增大而逐渐增加㊂各粗糙断面流向流速分布曲线大致相同㊂随粗糙度增加即颗粒粒径增加,流速逐渐减小㊂光滑床面最大流速与粗糙度K s =2处最大流速相差5.27c m ㊂N e z u [18]将明渠紊流垂线上分成内区(0ɤy/H <0.2)和外区(0.2<y /H ɤ1)㊂内区包含黏性底层㊁缓冲区和对数区,外区包含中间区和水面12第6期 谷方正等:基于P I V 的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响区㊂在流速内区时,流速变化剧烈,曲线斜率变化大;在外区时,曲线斜率平缓,流速变化小㊂图3流向流速轮廓线令u+=u/u*,在光滑条件下y+=y u*/ν,粗糙条件下y+=Y/k s㊂由表2可知,对数区拟合结果与K u e l e g a n[19]提出粗糙床面分布公式拟合程度较高(R2均>92)㊂测得(A)为2.89~4.37,积分常数(B)为3.58~14.53㊂随着流量(Q)的增大,拟合常数(A)呈减小趋势㊂在相同流量情况下,随着粗糙度的不断增加,积分常数(A)逐渐减小,积分系数(B)逐渐呈增大趋势㊂2.2渐变地表粗糙度影响下的紊动强度变化规律紊动强度为流速的二阶矩[2]㊂试验水深极浅,所以观测数据只计算流向方向紊动强度,进行无量纲化处理比较方便分析㊂图4为无量纲紊动强度的分布,N e z u[22]经验计算公式为:u'u*b=D u㊃e x p(-λu yH)(9)根据试验结果可知,D u为1.84~2.18,λu为0.77~ 1.35,流量与经验系数成正比㊂各组紊动强度沿y/H 增大而减小㊂由图4可知,流向紊动强度在不同流量条件下均呈外区紊动强度随水深增加而不断减少,光滑床面处紊动强度大于粗糙床面的紊动强度㊂在各个渐变粗糙床面处,紊动强度差异变化不大㊂变化趋势与粗糙度为0处相同,当y/H值为0~0.2时,曲线发生明显转折,在近床面处流向紊动强度达到最大值㊂随着粗糙度的逐渐增大,流向紊动强度值出现差异,但差异不显著㊂表2不同流量下流速分布拟合流量/(L㊃s-1)糙率拟合公式相关系数(R2)0u+=4.37l g y++7.85240.980.2u+=3.56l g y++5.15070.97 0.40.5u+=3.24l g y++10.94440.981u+=2.93l g y++13.91340.922u+=2.99l g y++14.55020.940u+=4.25l g y++8.47890.980.2u+=3.06l g y++6.42860.98 0.50.5u+=3.01l g y++12.35280.981u+=3.11l g y++14.16350.952u+=3.01l g y++14.43790.940u+=4.21l g y++6.38140.980.2u+=2.94l g y++3.58250.92 0.60.5u+=2.89l g y++10.91410.931u+=3.05l g y++14.52750.962u+=2.98l g y++14.55620.98图4无量纲化紊动强度2.3渐变地表粗糙度影响下的雷诺应力和壁面切应力变化规律在明渠均匀流二维流中,雷诺应力常用紊动切应力公式(6)㊂在雷诺方程中,雷诺应力表示由脉动流量交换引起的附加应力㊂附加应力由附加法向应力和附加剪应力组成㊂用u*无量纲化雷诺应力,图5为各组次下渐变地表粗糙度的雷诺应力分布㊂为避免雷诺应力相互重合,各组应力分布顺次向右平移1个单位㊂由图522水土保持学报第37卷可知,不同粗糙度下雷诺应力与光滑床面分布相似㊂随着相对水深(y/H)增加,雷诺应力呈先增大后减小态势,其中雷诺的应力的最小值出现在水面y/H=1处㊂光滑床面的最大值位于相对水深y/H=0.2处㊂随着粗糙度增加,最大值出现的位置提升至y/Hʈ0.2~0.4处㊂由公式(7)可知,当黏性应力趋近于0时,无量纲化雷诺应力与相对水深呈线性关系即受黏性应力微弱,雷诺应力增加㊂在光滑床面下,受黏性应力和雷诺应力的影响稳定,雷诺应力影响80%左右,所以光滑床面处雷诺应力最大值出现在相对水深0.2处㊂但研究发现,随着粗糙度逐渐增加,坡面流所受雷诺应力减弱,黏性应力加强即雷诺应力最大值点出现上升趋势㊂图5无量纲化雷诺应力分布由图6可知,在同一流量的工况条件下,在光滑处壁面切应力最小㊂随着床面粗糙程度加大,相应流量坡度下的壁面切应力也不断增加㊂因为当床面粗糙程度增加时,水流阻力增加,水深变大,水力半径增加,壁面切应力增加㊂另外,壁面切应力在最大流量和最小流量下的差值与不同粗糙程度的床面相关,床面粗糙程度越大,其壁面切应力差值越大㊂图6沿程壁面切应力分布3讨论通过增加相机接圈的方法提高P I V观测分辨率,使粒子图像测速技术应用到坡面流研究之中㊂试验使用P I V观测在渐变粗糙度影响下坡面流水动力特性发现,在渐变粗糙度影响下的坡面流水动力特性与光滑壁面情况下明显不同㊂本试验中,流速随着粗糙度增大而减小,与李斌[23]研究结果相似㊂在流速内区时,流速变化剧烈,曲线斜率变化大;在外区时,曲线斜率平缓,流速变化小,与杨坪坪等[2]和钟亮等[24]研究结果一致㊂流速分布产生该现象是因为靠近床面流速梯度(∂U∂y)大,受黏性应力影响大,当远离床面时,受黏性应力影响小,流速梯度(∂U∂y)小㊂通过流速无量纲化,拟合不同渐变粗糙度下流速分布对数公式,粗糙度增大,拟合常数(A)减小,积分系数(B)逐渐增大㊂A和B变化情况与单一粗糙度变化情况相同[23]㊂可能是随着粗糙度增加摩阻流速(u*)增大,但和时均流速的绝对值变化不大有关㊂紊动强度是流速的二阶矩㊂钟强等[25]使用P I V 测量明渠水流的紊动强度分布为先增大后减小趋势,与本研究光滑床面分布趋势相同㊂在粗糙度渐变条件下,紊动强度基本变化趋势与路明等[26]研究结果一致㊂在本次试验条件下,渐变粗糙度的流向紊动强度随着相对水深的增大而减小,原因是受水面的影响,限制垂向脉动,出现紊动能的重分配[2],使垂向脉动方向能量移动到流向㊂随着粗糙度的逐渐增大,流向紊动强度大小出现差异,但差异不显著㊂是因为在同一流量条件下,随着粗糙度的增大,水流阻力变大㊁流速变小,但流向紊动强度增加,因而,导致各粗糙度条件下的紊动强度较为接近㊂对渐变粗糙度影响下坡面流的雷诺应力观测发现,在受粗糙度的影响下的雷诺应力与光滑床面分布相似㊂随着粗糙度增加,雷诺应力最大值出现的位置提升至y/Hʈ0.2~0.4处㊂钟亮等[24]研究表明,床面粗糙度对水流紊动参数的影响主要体现在内区,与本研究相互印证㊂随着流向粗糙度的改变,粗糙度变大,流体微团运动减弱,碰撞减小从而减小雷诺应力作用,使坡面流运动过程中受雷诺应力影响的范围减小,故最大值位置提升㊂张红光等[27]研究认为,壁面32第6期谷方正等:基于P I V的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响切应力的变化与粗糙度有关,壁面粗糙度越大切应力也越大,与本结果相一致㊂董曾南等[16]研究认为,光滑明渠壁面切应力的大小与流量㊁坡度相关㊂但在同一流量下,粗糙度增加,流速逐渐减小,壁面切应力却逐渐增大㊂J o e l S u n d s t r o m等[28]研究发现,壁面切应力是受对流体施加的压力梯度以及振荡雷诺应力二者影响㊂从宏观角度分析粗糙度影响下,水流阻力增加,水深变大,水力半径增加,使得壁面切应力增加㊂通过P I V的观测发现,在粗糙度影响下,与光滑条件下坡面流水动力特性存在差异,起到增阻力减速的效果㊂4结论(1)流速随粗糙度增加而减小㊂通过流速无量纲化,拟合渐变地表粗糙度的流速分布对数公式,随着粗糙度增大,拟合常数(A)逐渐减小,积分系数(B)逐渐增大㊂(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似,紊动强度随相对水深(y/H)增大而减小㊂随着粗糙度的增大,流向紊动强度值出现差异,但差异不显著㊂渐变粗糙床面的流向紊动强度符合N e z u的经验公式㊂D u为1.84~2.18,λu为0.77~ 1.35,流量与经验系数成正比㊂(3)不同流量下,渐变地表粗糙度影响下的雷诺应力分布与光滑床面分布相似㊂随着相对水深(y/H)增加,雷诺应力呈现出先增大后减小的态势㊂光滑床面雷诺应力的最大值位于相对水深y/H= 0.2处㊂随着粗糙度增加,最大值出现的位置提升至y/Hʈ0.2~0.4处㊂粗糙度逐渐增加,壁面切应力的大小逐渐增加即坡面流克服阻力的能量增加,减少坡面流侵蚀能力㊂综合表明,通过增加P I V分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究㊂通过观测与计算得出,渐变粗糙度影响下水力特性与光滑条件下坡面流水动力特性存在变化趋势与数值大小的差异,能够较好解决水力侵蚀的机理问题㊂参考文献:[1]张宽地,王光谦,孙晓敏,等.坡面薄层水流水动力学特性试验[J].农业工程学报,2014,30(15):182-189. [2]杨坪坪,张会兰,王云琦,等.基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性[J].农业工程学报,2020,36(17):115-124. [3] Z h a oC H,G a o JE,H u a n g YF,e t a l.E f f e c t s o f v e g e-t a t i o n s t e m so nh y d r a u l i c so fo v e r l a n df l o w u n d e rv a r-y i n g w a t e rd i s c h a r g e s[J].L a n dD e g r a d a t i o na n dD e v e l-o p m e n t,2016,27(3):748-757.[4] H e n a o-G a r c i aS,X i a oC N,S e n o c a kI.I n v e s t i g a t i o no fo s c i l l a t i o n s i nk a t a b a t i cP r a n d t l s l o p e f l o w s[J].Q u a r t e r-l y J o u r n a l o f t h eR o y a lM e t e o r o l o g i c a l S o c i e t y,2023,149(750):247-261.[5]戴矜君,程金花,张洪江,等.野外放水条件下坡面流水动力学特征[J].中国水土保持科学,2016,14(3):52-59.[6] S h i nSS,P a r kSD,S i m YJ,e t a l.H y d r a u l i c c o n d i t i o n s o fi n c i p i e n tr i l lb y r a i n d r o p-i n d u c e d o v e r l a n df l o w o n s t e e ps l o p e s o f s a n d y s o i l[J].W a t e r,2023,15(3):e502. [7]孟铖铖,张会兰,杨坪坪.模拟植被类型及空间配置对坡面流水动力学特性的影响[J].水土保持学报,2017,31(2):50-56,78.[8]刘洋,孙保平,杨坪坪,等.模拟植被地表覆盖率与地表粗糙度对坡面流流速的影响[J].浙江农业学报,2017,29(3):498-505.[9]刘青泉,李家春,陈力,等.坡面流及土壤侵蚀动力学(Ⅰ):坡面流[J].力学进展,2004,34(3):360-372. [10]叶晨,王海周,郑媛予,等.山区河流河床对漂石的突变响应及其近底水流结构特征[J].工程科学与技术,2017,49(3):22-28.[11] P a g l i a r aS,D a s R,C a r n a c i n aI.F l o w r e s i s t a n c ei nl a r g e-s c a l e r o u g h n e s s c o n d i t i o n[J].C a n a d i a nJ o u r n a l o fC i v i l E n g i n e e r i n g,2008,35(11):1285-1293.[12]张光辉,卫海燕,刘宝元.坡面流水动力学特性研究[J].水土保持学报,2001,15(1):58-61.[13]杨坪坪,张会兰,王云琦,等.植被覆盖度与空间格局对坡面流水动力学特性的影响[J].水土保持学报,2016,30(2):26-33.[14]陈启刚,钟强.体视粒子图像测速技术研究进展[J].水力发电学报,2018,37(8):38-54.[15] Y a n g P P,Z h a n g H L,W a n g Y Q,e ta l.O v e r l a n df l o wv e l o c i t i e sm e a s u r e du s i ng ahi g h-r e s o l u t i o n p a r t i-c l e i m a g ev e l o c i m e t r y s y s t e m[J].J o u r n a lo f H yd r o l o-g y,2020,590:e125225.[16]董曾南,陈长植,李新宇.明槽均匀紊流的水力特性[J].水动力学研究与进展(A辑),1994,9(1):8-22.[17] S a d e q u eM A,R a j a r a t n a m N,L o e w e nM R.E f f e c t s o fb e dr o u g h n e s so nf l o w a r o u n db e d-m o u n t e dc y l i nde r si no p e n c h a n n e l s[J].J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s,2009,135(2):100-110.[18] N e z u I.O p e n-c h a n n e l f l o wt u r b u l e n c ea n d i t s r e s e a r c hp r o s p e c t i nt h e21s tc e n t u r y[J].J o u r n a lo f H y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,2005,131(4):229-246.[19] K e u l e g a nG H.L a w so f t u r b u l e n t f l o wi no p e nc h a n-n e l s[J].J o u r n a l o fR e s e a r c ho f t h eN a t i o n a lB u r e a uo fS t a n d a r d s,1938,21(6):e707.[20] S u b h a s i s hD e y,V i j i t R a t h o r e,N a d i aP e n n a,e t a l.H y-d r o d y n a m i c so f f l o wo ve r a g r a d u a l l y v a r i e db e d r o u g h-n e s s[J].P h y s i c s o fF l u i d,2021,33(12):e125112.(下转第33页)42水土保持学报第37卷[13]洪大林,缪国斌,邓东升,等.粘性原状土起动切应力与物理力学指标的关系[J].水科学进展,2006,17(6):774-779.[14]孙宝洋.季节性冻融对黄土高原风水蚀交错区土壤可蚀性作用机理研究[D].陕西杨凌:西北农林科技大学,2018.[15]范昊明,蔡强国.冻融侵蚀研究进展[J].中国水土保持科学,2003,1(4):50-55.[16]左小锋,王磊,郑粉莉,等.冻融循环和土壤性质对东北黑土抗剪强度的影响[J].水土保持学报,2020,34(2):30-35,42.[17]王力,李喜安,洪勃,等.黏粒含量对黄土抗剪强度影响试验[J].煤田地质与勘探,2019,47(3):179-185.[18] Z h a n g H Y,L iM,W e l l sRR,e t a l.E f f e c t o f s o i l w a-t e r c o n t e n t o n s o i l d e t a c h m e n t c a p a c i t y f o r c o a r s e-a n df i n e-g r a i n e ds o i l s[J].S o i lS c i e n c eS o c i e t y o f A m e r i c aJ o u r n a l,2019,83(3):697-706.[19]H e n r y H A L.S o i lf r e e z e-t h a w c y c l ee x p e r i m e n t s:T r e n d s,m e t h o d o l o g i c a lw e a k n e s s e s a n d s u g g e s t e d i m-p r o v e m e n t s[J].S o i l B i o l o g y a n dB i o c h e m i s t r y,2007,39(5):977-986.[20]郑郧,马巍,邴慧.冻融循环对土结构性影响的试验研究及影响机制分析[J].岩土力学,2015,36(5):1282-1287,1294.[21] W a n g D D,W a n g ZL,S h e n N,e t a l.M o d e l i n g s o i ld e t a c h m e n t c a p a c i t y b y r i l l f l o wu s i n g h y d r a u l i c p a r a m-e t e r s[J].J o u r n a l o fH y d r o l o g y,2016,535:473-479.[22] A b r a h a m sA D,P a r s o n sAJ,L u kS H.F i e l d m e a s-u r e m e n t o f t h e v e l o c i t y o f o v e r l a n d f l o wu s i n g d y e t r a c-i n g[J].E a r t hS u r f a c eP r o c e s s e sa n dL a n d f o r m s,1986,11(6):653-657.[23] Z h a n g G,T a n g K,R e nZ,e t a l.I m p a c t o f g r a s s r o o tm a s sd e n s i t y o ns o i ld e t a c h m e n tc a p a c i t y b y c o n c e n-t r a t e d f l o wo n s t e e p s l o p e s[J].T r a n s a c t i o n s o f t h eA s a-b e,2013,56(3):927-934.[24] Y uYC,Z h a n g G H,G e n g R,e t a l.T e m p o r a l v a r i a-t i o n i n s o i l d e t a c h m e n t c a p a c i t y b y o v e r l a n d f l o wu n d e rf o u r t y p i c a l c r o p s i n t h eL o e s s P l a t e a u o f C h i n a[J].B i o-s y s t e m sE n g i n e e r i n g,2014,122:139-148. [25] D eB a e t sS,P o e s e nJ,K n a p e nA,e t a l.R o o t c h a r a c-t e r i s t i c so fr e p r e s e n t a t i v e M e d i t e r r a n e a n p l a n ts p e c i e sa n d t h e i r e r o s i o n-r e d u c i n gp o t e n t i a l d u r i n g c o n c e n t r a t-e d r u n of f[J].P l a n t a n dS o i l,2007,294(1):169-183.[26] N a s h JE,S u t c l i f f e JV.R i v e r f l o wf o r e c a s t i n g t h r o u g hc o n c e p t u a l m ode l s p a r tI:A d i s c u s s i o nof p r i n c i p l e s[J].J o u r n a l o fH y d r o l o g y,1970,10(3):282-290.[27] G e n g R,Z h a n g G H,L i Z W,e t a l.S p a t i a l v a r i a t i o ni n s o i l r e s i s t a n c et of l o w i n g w a t e re r o s i o na l o n g ar e-g i o n a l t r a n s e c t i nt h eL o e s sP l a t e a u[J].E a r t hS u r f a c eP r o c e s s e s a n dL a n d f o r m s,2015,40(15):2049-2058.[28]王彬.土壤可蚀性动态变化机制与土壤可蚀性估算模型[D].陕西杨凌:西北农林科技大学,2013. [29]郑郧,马巍,邴慧.冻融循环对土结构性影响的机理与定量研究方法[J].冰川冻土,2015,37(1):132-137.[30] B i s s o n n a i sYL,S i n g e rMJ.C r u s t i n g,r u n o f f,a n d e r o s i o nr e s p o n s e t os o i lw a t e rc o n t e n ta n ds u c c e s s i v er a i n f a l l s[J].S o i lS c i e n c eS o c i e t y o fA m e r i c aJ o u r n a l,1992,56(6):1898-1903.[31] S h i Z H,Y a nFL,L iL,e t a l.I n t e r r i l l e r o s i o n f r o md i s t u r be d a n du n d i s t u r b e d s a m p l e s i n r e l a t i o n t o t o p s o i la g g r e g a t e s t ab i l i t y i nr e ds o i l s f r o m s u b t r o p ic a lC h i n a[J].C a t e n a,2010,81(3):240-248.[32] X i aD,D e n g YS,W a n g SL,e t a l.F r a c t a l f e a t u r e s o f s o i lp a r t i c l e-s i z e d i s t r i b u t i o n o f d i f f e r e n tw e a t h e r i n gp r o f i l e s o ft h e c o l l a p s i n gg u l l i e si nt h eh i l l yg r a n i t i cr e g i o n,S o u t hC h i n a[J].N a t u r a lH a z a r d s,2015,79(1):455-478.[33] X i e SB,Q u J J,L a i Y M,e t a l.E f f e c t s o f f r e e z e-t h a wc y c l e s o n s o i lm e c h a n i c a l a nd p h y s i c a l p r o pe r t i e s i n t h eQ i n g h a i-T i b e t P l a t e a u[J].J o u r n a l o fM o u n t a i nS c i e n c e,2015,12(4):999-1009.[34]朱龙祥,范昊明,郭成久,等.冻融作用对原状棕壤抗剪强度的影响[J].水土保持学报,2021,35(2):55-60,67.[35]胡田飞,刘建坤,房建宏,等.冻融循环下含水率对粉质黏土力学性质影响试验[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(12):123-130.(上接第24页)[21]毛冉冉,程年生,卢叶盛.二维加糙明渠流理论床面的确定方法[J].泥沙研究,2022,47(6):9-14. [22]N e z uI.T u r b u l e n c e i n t e n s i t i e s i no p e nc h a n n e l f l o w s[J].P r o c e e d i n g so ft h eJ a p a n S o c i e t y o fC i v i lE n g i-n e e r s,1977,1977(261):67-76.[23]李斌.不同粗糙床面的水力特性研究[D].武汉:长江科学院,2021.[24]钟亮,廖尚超,张建梅,等.密排粗糙床面明渠水流的紊动特性[J].泥沙研究,2020,45(3):8-14. [25]钟强,王兴奎,苗蔚,等.高分辨率粒子示踪测速技术在光滑明渠紊流黏性底层测量中的应用[J].水利学报,2014,45(5):513-520.[26]路明,霍自民,范志高,等.人工加糙对明渠紊动特性影响的试验研究[J].水利水电技术,2008,39(9):44-46.[27]张红光,路明,范志高,等.明渠渠底糙率突变对紊流摩阻流速及壁面切应力影响的试验分析[J].水利水电技术,2007,38(1):89-92.[28]J o e l S u n d s t r o m LR,C e r v a n t e sMJ.C h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew a l l s h e a r s t r e s s i n p u l s a t i n g w a l l-b o u n d e dt u r b u-l e n t f l o w s[J].E x p e r i m e n t a lT h e r m a la n d F l u i d S c i-e n c e,2018,96:257-265.33第6期卢超等:冻融条件下土壤侵蚀阻力影响因素。
明渠非恒定流传播特性及流速分布研究
1 明渠非恒定流传播特性明渠非恒定流传播过程中，存在波的变形，不但沿时间存在横向变形，而且纵向波高上也在变化。
通常来说，周期性非恒定流在传播时，随着传播距离的增加，其上升段往往越来越陡，下降段越来越缓，甚至出现波的破碎现象，但总的周期保持不变；而在波的高度上，随着传播距离增加存在坦化现象，波幅越来越小，波峰变矮而波谷变高，非恒定流有逐渐均匀化的趋势（如图1所示）。
非恒定流的横纵变形，导致非恒定流在传播过程中沿程水深和流量变幅及波形不一致，使得非恒定流的传播表现出与恒定流不同的性质。
从诸多工程问题来说，波速如何确定，波峰和波谷的高度如何计算等是大家较为关心的，但是，1.1 试验条件1.1.1 非恒定流过程的概化非恒定流试验都采用正弦函数表示的周期性非恒定流过程。
对于周期为T 的非恒定流，给定如下形式的非恒定流过程：)22()(210ππ-+=T t Sin x Q Q Q b （1）20 t(s)Q ,H1 明渠非恒定流传播过程波形变化图示)22()(210ππ-+=T t Sin x A A A b （2）式中：0Q 为基流；b Q 为非恒定波的波幅，即流量的变幅；t 为时间；0A 为基流的过水面积，b A 为面积的变幅。
1.1.2 水槽底坡的确定为了简化问题寻求规律，同时也方便同均匀流对比，本文试验均在正坡条件下进行，坡度为3‰、5‰，恒定流时在自由出流状态下能形成均匀流，非恒定流状态下当周期较大则趋近于均匀流状态。
1.1.3 试验段的选择水槽的4＃～7＃水尺之间，在恒定流时能形成均匀流，而在非恒定流状态下， 4＃～7＃水尺之间最大最小水深相差很小，最大水深连线和最小水深连线基本水平。
因而，非恒定流状态下，4＃～7＃水尺形成一种特殊的、相对较为稳定的非恒定流，其波高基本不变，4＃～7＃水尺之间即为本文非恒定流的试验段。
x(m)H (m )图2 比降3‰时非恒定流波的沿程分布 (T=20s,Q=15~40L/s)1.1.4 水流条件从前面的分析也可知，在3‰、5‰坡度下3～40L/s 之间的流量时，恒定流在28m 水槽4～7＃水尺之间能形成均匀流，非恒定流下则能形成相对稳定的非恒定流状态。
明渠非恒定流数值模拟初探
明渠非恒定流数值模拟初探近年来，由于气候变化和自然环境变化，影响到水文气象学家对水文气象过程的研究，如水文地质复合动力过程、水文、水质、水土保持、水资源利用和其他水文学的研究，数值模拟分析已成为水文气象学家研究水文气象过程的重要手段。
本文研究的内容是基于明渠非恒定流数值模拟。
明渠非恒定流数值模拟是对明渠流动过程的模拟分析，针对明渠流动过程中水位、流速、流量及其变化过程的模拟分析，利用相关的数值技术和数值模拟工具，建立明渠非恒定流数值模拟系统，并进行模拟分析。
明渠非恒定流数值模拟的基本原理是，利用Navier-Stokes方程来描述明渠流动过程，然后利用数值方法解决方程，同时考虑渠床及渠坎起伏、渠床及边坡阻力等影响，从而预测水位、流速、流量及其变化规律。
在明渠非恒定流数值模拟系统中，首先要构建一个明渠流动数学模型，其次根据明渠的位置特征，设定明渠的几何形态，最后根据实际情况，计算明渠的水力参数，包括流量、水位、流速等参数。
之后，根据明渠非恒定流动特性选择数值解法，采用Finite Volume Method、Finite Difference Method等多种数值解法计算数值解，最后可以得到明渠的水力特性及其变化规律。
明渠非恒定流数值模拟有助于研究水位、流速、流量及其变化规律，为水文气象研究、监测和控制提供了重要的理论依据。
首先，它可以帮助水文气象学家正确识别、表征明渠的水文气象参数，根据实际应用情况，选择最佳的模型及参数；其次，它可以计算出明渠地貌阻力对水文气象参数影响的程度；最后，它可以根据水文气象参数，进行水文气象过程的预测分析，为明渠的安全管理和运行提供有力的技术支持。
目前，明渠非恒定流数值模拟在水文气象参数估算、水文气象过程解释、水位演变分析、水利工程设计等方面发挥着重要的作用，但也存在一些问题，比如数据采集方面的不足，还有结果计算偏差大等问题，需要在今后的研究中加以解决。
综上所述，明渠非恒定流数值模拟可以帮助水文气象学家正确识别、表征明渠的水文气象参数，为水文气象研究、监测和控制提供重要的理论依据，在水位演变分析、水利工程设计等方面发挥着重要的作用。
明渠湍流的分形特征研究
明渠湍流的分形特征研究采用PIV实验技术对明渠流动的湍流场进行了测量，表明湍流速度的分布相当无序，随着时间和空间位置做很不规则的、突变式的脉动。
求解速度沿流向的分维数为1.4723，相关系数达0.91，说明湍流速度确实存在某一尺度范围的自相似性。
并且这一分维数随着湍流的流向发展逐渐减小，反映出湍流能量逐渐耗散的过程。
标签：湍流；分形；PIV1 概述明渠流是最常见的水流形式之一，在天然河道和人工输水渠道中都常常见到。
明渠中的水流运动以湍流为主，研究明渠湍流的分形特征，是从机理层面解决明渠的流态问题，为水环境管理控制和工程应用提供理论指导和技术支持。
分形理论最早在1982年由罗德布罗特（Mandelbrot）提出，其研究对象是没有特征长度、局部和整体自相似的图形。
湍流的嵌套结构和耗散结构即是具有自相似性的證据，自1926年Richardson就猜测，在相当大的标度范围内，湍流由自相似的涡旋组成，1941年Kolmogorov提出了反映自相似结构的能谱和结构函数的分析表达式，随后Mandelbrot和Frisch将均匀各向同性的Kolmogorov湍流模型扩展到间歇性湍流模型，为利用分形这一新数学方法研究湍流奠定了理论基础。
随着图形图像技术的发展，湍流信息越来越易于获取，极大推动了湍流分形特征研究的发展。
2005年，Ali Naghi Ziaei测定了实验室水槽中Re=29000～85000的湍流速度分量ux，uy，以及雷诺切应力的分形维数，分别为1.615，1.657和1.559，这与Kolmogorov模型中的流速度信号理论分形维数Df=5/3非常接近，为利用分形理论研究湍流运动指明了方向。
本论文中，采用有机玻璃模型模拟明渠，在水流中投入示踪粒子跟随水流运动，采用PIV技术测量水流速度场，通过分析水流的瞬时速度沿流线的发展规律，研究湍流速度场的分形特征。
2 实验装置和研究方法2.1 实验装置本论文的明渠模型采用有机玻璃和UPVC板制成，其构造如图1所示。