水流流速场实验-陈大可

河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]27水流流速场实验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。河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]283、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。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、0.5h、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。图1循环供水的多功能性教学试验水槽河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]29六、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图2河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]30表1各断面水位与测点流速数据记录表断面编号断面距进水口长度cm水深cm相对水深位置测点流速/cms垂线平均流速/cms垂线1垂线2垂线3垂线1垂线2垂线3垂线1垂线2垂线312109.69.69.60.2h20.118.819.526.716.317.90.4h28.320.1190.5h24.31418.80.6h26.716.317.90.8h27.815.620.624059.69.69.60.4h2314.820.62316.918.80.6h2316.918.80.8h25.717.720.635629.69.69.60.4h2217.91924.118.519.30.6h24.118.519.30.8h26.418.819410009.49.69.80.4h2318.517.224.618.817.80.6h24.618.817.80.8h25.720.919.8511159.29.59.70.4h20.420.120.121.120.419.80.6h21.120.419.80.8h20.920.619.5613009.29.59.80.4h20.921.420.420.122.719.50.6h20.122.719.50.8h18.822.219.5注：①、垂线1距水槽左岸15cm左右，垂线2位于水槽中间，垂线3距水槽右岸15cm左右。②、垂线平均流速近似取每条垂线水深为0.6h处的测点流速。河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]3156789100200400600800100012001400水位（cm）沿程距离（cm）水位沿程变化图垂线1垂线2垂线30510152025300200400600800100012001400垂线平均流速（cm/s）沿程距离（cm）垂线平均流速沿程变化图垂线1垂线2垂线32、水位沿程变化图3、垂线平均流速沿程变化图图3水位沿程变化图图4垂线平均流速沿程变化图河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]324、水槽直线段（以断面1为例）流速垂向分布图5、水槽弯曲段（以断面5为例）流速垂向分布图00.20.40.60.8151015202530相对水深流速（cm/s）断面1流速垂向分布垂线1垂线2垂线300.20.40.60.811919.52020.52121.5相对水深流速（cm/s）断面5流速垂向分布图垂线1垂线2垂线3图5断面1流速垂向分布图图6断面5流速垂向分布图河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]3310121416182022242628020406080100120垂线平均流速（cm/s）垂线距水槽左岸距离（cm）垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图断面1断面2断面3断面4断面5断面66、垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图7、垂线平均流速平面分布图图7垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图图8河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]34八、成果分析及实验小结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。水流流速场实验主要研究顺直水槽、弯曲水槽中水位平面分布、流速平面分布以及流速沿水深分布情况。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，弯曲段中轴线弯曲半径为3m。在顺直水槽与弯曲水槽段各设置3个测流断面（如图2），每个测流断面设置3条测流垂线。实验时，测量并记录每条垂线处的水位以及每条垂线水深为0.2h、0.4h、0.5h、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、流速的相关分布规律。水位沿程变化，如图3，顺直水槽段水位无论沿程还是沿水槽宽度方向都变化不大。弯曲水槽段，断面4、5、6都处于弯曲进口段及顶冲段部分，凸岸水位普遍低于凹岸水位，且凸岸纵比降大于凹岸纵比降。顺直水槽段，水流流速沿水深分布，见图5。实验数据不太理想，理想情况下，时均流速沿水深自水面到水底，纵向流速逐渐减小。弯曲水槽段，水流流速沿水深分布，见图6（断面5）。弯曲水槽段，水流呈螺旋式运动，流速分布相对复杂。从图6可以看出，断面5中轴线（垂线2）表面流速较大，水河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]35槽左岸（垂线1）中流速较大，水槽右岸（垂线3）底流速较大，但总的来说，流速沿水深分布相对均匀。这可能是横向环流增强水平流层间动量交换导致的。垂线平均流速平面分布，如图8。在顺直水槽段，可能受到弯道水槽和水泵出水口偏向的影响，断面1、2、3垂线平均流速平面分布近似一致，水槽两侧流速偏大，尤以水槽左岸（垂线1）较大，中间偏小，垂线平均流速沿程变化不大。在弯曲水槽段，从断面4、断面5到断面6可见，垂线1上垂线平均流速不断减小，垂线2、3上垂线平均流速不断增加，但断面4、5总体上，垂线1上流速仍大于垂线2、3上流速，直至断面6，垂线1上流速才开始小于垂线2、3。由此可见，弯曲水槽进口段，水流动力轴线偏靠在水槽凸岸，但受弯道影响，凸岸垂线平均流速不断减小，凹岸垂线平均流速不断增加，到弯道顶冲点附近，水流动力轴线开始偏向凹岸。通过水流流速场试验，我们了解到顺直水槽段、弯曲水槽段沿程沿水槽宽度方向水位、流速的分布以及流速沿水深分布规律。从理性和感性上，认识了顺直水流、弯道水流的基本水流结构、水流运动规律。实验达到预期目的。九、实验思考题解析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，河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]36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。其实，我们完全可以求解出水流液面方程。有上可知，水流在重力和离心力的共同作用下，根据欧拉平衡方程)(xyzdpdxfdyfdzf（xf、yf、zf是单位质量力f在三个坐标轴上的投影），容易得到压强p关于x、y、z的具体表达式，而流动水流表面是压强0p的等压面，因而可以得到水流表面方程。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：max0lnuyuuy，指数流速公式的一般公式为max()myuuH。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。4、流速垂向分布在弯曲水槽段中轴线与两侧附近有什么变化规律，为什么？答：弯曲水槽段，水流呈螺旋式运动，断面5的流速垂向分布见图6。弯曲水槽段中轴线（垂线2）表面流速较大，水槽左岸（垂线1）中流速较大，河海大学·港航院上善若水——by陈大可[e-mail]37水槽右岸（垂线3）底流速较大，但总的来说，流速沿水深分布相对均匀。这可能是横向环流增强水平流层间动量交换导致的。另外，在弯曲水槽段进口部分，水流动力轴线偏靠凸岸（断面4、5中垂线1流速相对较大，垂线2、3流速相对较小），当水流到达弯道顶冲点附近（断面6）时，水流动力轴线开始向凹岸偏靠，主流开始偏向凹岸（断面6中垂线2、3上流速较之断面4、5增加较大，垂线1上流速则有所减小）。5、垂线平均流速平面分布在顺直水槽和弯曲水槽段有什么不同？答：垂线平均流速平面分布如图8。在顺直水槽段，可能受到弯道水槽和水泵出水口偏向的影响，断面1、2、3垂线平均流速平面分布近似一致，水槽两侧流速偏大，尤以水槽左岸（垂线1）较大，中间偏小。在弯曲水槽段，从断面4、断面5到断面6可见，垂线1上垂线平均流速不断减小，垂线2、3上垂线平均流速不断增加，但断面4、5总体上，垂线1上流速仍大于垂线2、3上流速，直至断面6，垂线1上流速才开始小于垂线2、3。由此可见，弯曲水槽进口段，水流动力轴线偏靠在水槽凸岸，但受弯道影响，凸岸垂线平均流速不断减小，凹岸垂线平均流速不断增加，到弯道顶冲点附近，水流动力轴线开始偏向凹岸。6、实验条件下的水