水流流速場(chǎng)實(shí)驗(yàn)-陳大可

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上水流流速場(chǎng)實(shí)驗(yàn)水流是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，在與河床、建筑物之間的相互作用中起到?jīng)Q定性的因素。掌握和了解水流結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，是研究和分析河床變形、建筑物相互作用的基礎(chǔ)。水流流速場(chǎng)試驗(yàn)系在試驗(yàn)水槽中完成的。綜合試驗(yàn)水槽是一座循環(huán)供水的多功能性教學(xué)試驗(yàn)水槽。水槽斷面寬1.2m，高0.4m，縱向長(zhǎng)16.6m，設(shè)有直線段10m和彎曲段6.6m。水槽兩側(cè)裝有自動(dòng)水位測(cè)試儀器，另水槽配有流速測(cè)量?jī)x器若干。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆蘸土私馑鹘Y(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)量和研究順直水槽段兩側(cè)水位的沿程變化規(guī)律。2、測(cè)量和研究彎曲水槽段兩側(cè)水位的沿程變化規(guī)律。3、測(cè)量和研究順直水

2、槽段水流流速沿程、沿水深的變化規(guī)律。4、測(cè)量和研究彎曲水槽段水流流速沿程、沿水深的變化規(guī)律。5、計(jì)算各流速測(cè)點(diǎn)的垂線平均流速，推求和研究垂線平均流速沿程、沿寬度的分布規(guī)律。三、實(shí)驗(yàn)要求及注意事項(xiàng)1、要求做實(shí)驗(yàn)前，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，理解實(shí)驗(yàn)原理，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、實(shí)驗(yàn)前熟悉具體的實(shí)驗(yàn)步驟，記錄好有關(guān)常數(shù)。3、實(shí)驗(yàn)時(shí)同組之間注意分工明確，協(xié)調(diào)合作。4、在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，要特別注意保持安靜，切勿人為擾動(dòng)水流，造成人為誤差。四、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器包括試驗(yàn)水槽、水尺、旋漿式流速儀、采點(diǎn)箱。試驗(yàn)水槽（如圖1）是一座循環(huán)供水的多功能性教學(xué)試驗(yàn)水槽。水槽斷面寬1.2m，高0.4m，縱向長(zhǎng)16.6m，

3、設(shè)有直線段10m和彎曲段6.6m，彎曲段中軸線彎曲半徑為3m。圖1 循環(huán)供水的多功能性教學(xué)試驗(yàn)水槽五、實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，在順直水槽與彎曲水槽各設(shè)置3個(gè)測(cè)流斷面，每個(gè)測(cè)流斷面設(shè)置3條測(cè)流垂線，測(cè)量并記錄每條垂線處的水位。每條垂線沿水深測(cè)量和記錄相對(duì)水深為0.2h、0.4h、0.5h、0.6h和0.8h處的流速。根據(jù)測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)分析順直水槽段與彎曲水槽段水位沿程、沿水槽寬度的分布規(guī)律以及水流流速沿程、沿水槽寬度、沿水深的分布規(guī)律。圖2六、實(shí)驗(yàn)步驟1、閱讀和掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。2、熟悉和掌握精密水位儀的使用原理與操作方法。3、熟悉和掌握旋漿式流速儀的使用原理與操作方法。 4、開啟

4、水泵，調(diào)節(jié)水槽尾門，保持沿程水流恒定狀態(tài)，并觀測(cè)、記錄水位。 5、分別在順直水槽與彎曲水槽段設(shè)置測(cè)流斷面，每個(gè)斷面沿水槽寬度設(shè)置3個(gè)測(cè)流垂線，每條垂線沿水深測(cè)量和記錄35點(diǎn)流速。 6、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整理并分析有關(guān)數(shù)據(jù)，繪制順直、彎曲段水位、流速分布規(guī)律圖。七、數(shù)據(jù)記錄與處理1、各斷面水位與測(cè)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)記錄與處理表1 各斷面水位與測(cè)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)記錄表斷面編號(hào)斷面距進(jìn)水口長(zhǎng)度水深相對(duì)水深位置測(cè)點(diǎn)流速垂線平均流速垂線1垂線2垂線3垂線1垂線2垂線3垂線1垂線2垂線312109.69.69.620.118.819.526.716.317.928.320.11924.31418.826.716.317.9

5、27.815.620.624059.69.69.62314.820.62316.918.82316.918.825.717.720.635629.69.69.62217.91924.118.519.324.118.519.326.418.819410009.49.69.82318.517.224.618.817.824.618.817.825.720.919.8511159.29.59.720.420.120.121.120.419.821.120.419.820.920.619.5613009.29.59.820.921.420.420.122.719.520.122.719.518.822

6、.219.5注：、垂線1距水槽左岸15左右，垂線2位于水槽中間，垂線3距水槽右岸15左右。、垂線平均流速近似取每條垂線水深為處的測(cè)點(diǎn)流速。2、水位沿程變化圖圖3 水位沿程變化圖3、垂線平均流速沿程變化圖圖4 垂線平均流速沿程變化圖4、水槽直線段（以斷面1為例）流速垂向分布圖圖5 斷面1流速垂向分布圖5、水槽彎曲段（以斷面5為例）流速垂向分布圖圖6 斷面5流速垂向分布圖6、垂線平均流速沿水槽寬度方向分布圖圖7 垂線平均流速沿水槽寬度方向分布圖7、垂線平均流速平面分布圖圖8八、成果分析及實(shí)驗(yàn)小結(jié)水流是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，在與河床、建筑物之間的相互作用中起到?jīng)Q定性的因素。掌握和了解水流結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)變

7、化規(guī)律，是研究和分析河床變形、建筑物相互作用的基礎(chǔ)。水流流速場(chǎng)實(shí)驗(yàn)主要研究順直水槽、彎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況。水流流速場(chǎng)試驗(yàn)系在試驗(yàn)水槽中完成的。綜合試驗(yàn)水槽是一座循環(huán)供水的多功能性教學(xué)試驗(yàn)水槽。水槽斷面寬1.2m，高0.4m，縱向長(zhǎng)16.6m，設(shè)有直線段10m和彎曲段6.6m，彎曲段中軸線彎曲半徑為3m。在順直水槽與彎曲水槽段各設(shè)置3個(gè)測(cè)流斷面（如圖2），每個(gè)測(cè)流斷面設(shè)置3條測(cè)流垂線。實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)量并記錄每條垂線處的水位以及每條垂線水深為0.2h、0.4h、0.5h、0.6h和0.8h處的流速。根據(jù)測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)分析順直水槽段與彎曲水槽段水位、流速的相關(guān)分布規(guī)

8、律。水位沿程變化，如圖3，順直水槽段水位無論沿程還是沿水槽寬度方向都變化不大。彎曲水槽段，斷面4、5、6都處于彎曲進(jìn)口段及頂沖段部分，凸岸水位普遍低于凹岸水位，且凸岸縱比降大于凹岸縱比降。順直水槽段，水流流速沿水深分布，見圖5。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不太理想，理想情況下，時(shí)均流速沿水深自水面到水底，縱向流速逐漸減小。彎曲水槽段，水流流速沿水深分布，見圖6（斷面5）。彎曲水槽段，水流呈螺旋式運(yùn)動(dòng)，流速分布相對(duì)復(fù)雜。從圖6可以看出，斷面5中軸線（垂線2）表面流速較大，水槽左岸（垂線1）中流速較大，水槽右岸（垂線3）底流速較大，但總的來說，流速沿水深分布相對(duì)均勻。這可能是橫向環(huán)流增強(qiáng)水平流層間動(dòng)量交換導(dǎo)致的。垂線

9、平均流速平面分布，如圖8。在順直水槽段，可能受到彎道水槽和水泵出水口偏向的影響，斷面1、2、3垂線平均流速平面分布近似一致，水槽兩側(cè)流速偏大，尤以水槽左岸（垂線1）較大，中間偏小，垂線平均流速沿程變化不大。在彎曲水槽段，從斷面4、斷面5到斷面6可見，垂線1上垂線平均流速不斷減小，垂線2、3上垂線平均流速不斷增加，但斷面4、5總體上，垂線1上流速仍大于垂線2、3上流速，直至斷面6，垂線1上流速才開始小于垂線2、3。由此可見，彎曲水槽進(jìn)口段，水流動(dòng)力軸線偏靠在水槽凸岸，但受彎道影響，凸岸垂線平均流速不斷減小，凹岸垂線平均流速不斷增加，到彎道頂沖點(diǎn)附近，水流動(dòng)力軸線開始偏向凹岸。通過水流流速場(chǎng)試驗(yàn)，

10、我們了解到順直水槽段、彎曲水槽段沿程沿水槽寬度方向水位、流速的分布以及流速沿水深分布規(guī)律。從理性和感性上，認(rèn)識(shí)了順直水流、彎道水流的基本水流結(jié)構(gòu)、水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目的。九、實(shí)驗(yàn)思考題解析1、彎曲水槽兩側(cè)水位是否相同，哪一側(cè)水位會(huì)升高，為什么會(huì)有這種差別？答：彎曲水槽兩側(cè)水位一般不會(huì)相同，在沒有其他外在因素的影響下，彎曲水槽外側(cè)水位高。當(dāng)水流在彎曲水槽中流動(dòng)時(shí)，水流所受質(zhì)量力，除了重力外，還有因作曲線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力。水流為了平衡這個(gè)離心力，通過調(diào)整，使得凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低，形成水面橫比降。其實(shí)，我們完全可以求解出水流液面方程。有上可知，水流在重力和離心力的共同作用

11、下，根據(jù)歐拉平衡方程（、是單位質(zhì)量力在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影），容易得到壓強(qiáng)關(guān)于、的具體表達(dá)式，而流動(dòng)水流表面是壓強(qiáng)的等壓面，因而可以得到水流表面方程。 2、流速垂線分布呈現(xiàn)什么變化規(guī)律，一般可以擬合成幾種流速垂向分布的經(jīng)驗(yàn)公式？答：一般地，水流縱向時(shí)均流速自水面到水底逐漸減小，但流速垂線分布規(guī)律根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不同分為兩大類。一類為層流流速垂線分布規(guī)律，另一類為紊流流速垂線分布規(guī)律。一般地，二元明渠層流流速垂線分布呈拋物線分布。紊流流速垂線分布一般可以擬合成對(duì)數(shù)流速分布和指數(shù)流速分布。對(duì)數(shù)流速分布的一般公式為：，指數(shù)流速公式的一般公式為。3、流速垂向分布在順直水槽段中軸線與兩側(cè)附近是否有差別，為

12、什么？答：有差別。垂線流速垂向分布規(guī)律大致相同，但水流在水槽兩側(cè)受到壁面摩阻力作用，流速大小相對(duì)較小。4、流速垂向分布在彎曲水槽段中軸線與兩側(cè)附近有什么變化規(guī)律，為什么？答：彎曲水槽段，水流呈螺旋式運(yùn)動(dòng)，斷面5的流速垂向分布見圖6。彎曲水槽段中軸線（垂線2）表面流速較大，水槽左岸（垂線1）中流速較大，水槽右岸（垂線3）底流速較大，但總的來說，流速沿水深分布相對(duì)均勻。這可能是橫向環(huán)流增強(qiáng)水平流層間動(dòng)量交換導(dǎo)致的。另外，在彎曲水槽段進(jìn)口部分，水流動(dòng)力軸線偏靠凸岸（斷面4、5中垂線1流速相對(duì)較大，垂線2、3流速相對(duì)較?。?dāng)水流到達(dá)彎道頂沖點(diǎn)附近（斷面6）時(shí)，水流動(dòng)力軸線開始向凹岸偏靠，主流開始偏向

13、凹岸（斷面6中垂線2、3上流速較之?dāng)嗝?、5增加較大，垂線1上流速則有所減小）。5、垂線平均流速平面分布在順直水槽和彎曲水槽段有什么不同？答：垂線平均流速平面分布如圖8。在順直水槽段，可能受到彎道水槽和水泵出水口偏向的影響，斷面1、2、3垂線平均流速平面分布近似一致，水槽兩側(cè)流速偏大，尤以水槽左岸（垂線1）較大，中間偏小。在彎曲水槽段，從斷面4、斷面5到斷面6可見，垂線1上垂線平均流速不斷減小，垂線2、3上垂線平均流速不斷增加，但斷面4、5總體上，垂線1上流速仍大于垂線2、3上流速，直至斷面6，垂線1上流速才開始小于垂線2、3。由此可見，彎曲水槽進(jìn)口段，水流動(dòng)力軸線偏靠在水槽凸岸，但受彎道影響，凸岸垂線平均流速不斷減小，