低含沙水流運(yùn)動(dòng)特性綜述

1、低含沙水流運(yùn)動(dòng)特性綜述            摘要：本文著重綜述了清水水流(在固定可動(dòng)邊界條件下)、挾沙水流的流速分布特征、紊動(dòng)特性、能量間分配關(guān)系等流動(dòng)現(xiàn)象的內(nèi)部規(guī)律，并系統(tǒng)分析比較了它們的異同，文中還兼論了卡門常數(shù)。 關(guān)鍵詞：清水水流 挾沙水流 流動(dòng)規(guī)律  1 引言擬序結(jié)構(gòu)的研究豐富了人們對(duì)湍流的認(rèn)識(shí)，近年來(lái)非線性科學(xué)的發(fā)展對(duì)湍流研究起了很大的推動(dòng)作用。流體運(yùn)動(dòng)過程中的流速能量分布關(guān)系及其規(guī)律和猝發(fā)的特征及性質(zhì)，一方面是研究挾沙水流等的基礎(chǔ)，另一方面本身有其重要

2、的理論意義和實(shí)踐意義，本文探討低含沙水流和清水特性的異同。2 猝發(fā)現(xiàn)象猝發(fā)現(xiàn)象的具體描述參見有關(guān)文獻(xiàn)1，研究表明：當(dāng)Reh=uh(u為平均流速，h為水深)>10000時(shí)，用外部參量(u，h)無(wú)量綱化猝發(fā)周期T是不正確的，和混合參量(,h,u*,u)相比，最佳參量是用內(nèi)部參量(,u*)無(wú)量綱化猝發(fā)周期并推導(dǎo)知：(u2*TB/190)(y+=yu*/+15)。2研究了零壓力梯度下光滑平板和零壓力梯度下表面糙度由粗糙向光滑轉(zhuǎn)變時(shí)內(nèi)部邊界還未恢復(fù)局部平衡情形時(shí)的猝發(fā)規(guī)律。在猝發(fā)現(xiàn)象中，引射(Ejections)時(shí)對(duì)應(yīng)的速度脈動(dòng)為U<0,V0,掃掠時(shí)，(Sweeps)對(duì)應(yīng)的速度脈動(dòng)為U>

3、;0,V<0,U、V分別為流向和法向脈動(dòng)速度。正是引射所引起的動(dòng)量、能量、渦度交換對(duì)內(nèi)外層的相互作用有重要影響，進(jìn)而影響摩阻流速的大小。3觀察發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)流層(位于緩沖層)中的流條上升都和對(duì)數(shù)層中的擾動(dòng)有關(guān)，他們發(fā)現(xiàn)猝發(fā)和對(duì)數(shù)層作用所引起的掃掠對(duì)下游很遠(yuǎn)處的猝發(fā)產(chǎn)生都有影響，和掃掠相聯(lián)系的對(duì)數(shù)層中的高剪切區(qū)是由展向渦或上翹流向渦(例如部分發(fā)夾渦)所引起的。4猜測(cè)局部的逆壓梯度是由于上舉所產(chǎn)生或引起上舉的原因。5指出廣泛存在于近壁區(qū)中的是j-形渦而非如原來(lái)認(rèn)為的大量馬蹄形渦。Morrison,J.F,Subamanian,C.S,P.Bradshaw采用象限分析法分析了掃掠(u>0,

4、v<0,(U、V)以+為上標(biāo)表示)和引射(u<0,v<0,(U,V)以-為上標(biāo)表示)對(duì)U、V值的影響(為方便計(jì)在本猝發(fā)部分以小寫的u、v示脈動(dòng)值，以大寫U、V示平均流速值)，有        這里(3) 這里n0,m0,=表示湍流平均，-表示非湍流平均(為簡(jiǎn)單計(jì)，這里只討論光滑情形)。     在外區(qū)，引射較掃掠更頻繁發(fā)生，因而對(duì)當(dāng)?shù)丶羟胸暙I(xiàn)更大，在內(nèi)層中，二者對(duì)剪應(yīng)力貢獻(xiàn)大致相等，發(fā)生總時(shí)間也大致相同。在整個(gè)邊界層厚度中，引射較掃掠對(duì)u2和v2貢獻(xiàn)更大，二者之和約為

5、40%的u2-uv和v2-uv，由圖1中易知引射和掃掠控制著能量和切應(yīng)力的慣性傳輸。(4) 由式可知：卡門常數(shù)是流體運(yùn)動(dòng)內(nèi)部流場(chǎng)特性的參數(shù)，從一個(gè)局部平衡區(qū)到另一個(gè)局部平衡區(qū)，卡門常數(shù)也在變化，即卡門常數(shù)是一個(gè)反映流體運(yùn)動(dòng)特性的局部量，是空間點(diǎn)坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，但卡門常數(shù)又是流體運(yùn)動(dòng)性態(tài)的一個(gè)系統(tǒng)整體參數(shù)，而非獨(dú)立的變量。準(zhǔn)確地講，又稱之為卡門參數(shù)。6分析了和無(wú)量綱化的猝發(fā)周期，較同條件的清水在近壁區(qū)明顯增大。文獻(xiàn)8的研究結(jié)果表明，懸浮泥沙的尺寸和波數(shù)增加，將使底壁水流更容易猝發(fā)，流動(dòng)雷諾數(shù)增加將抑制猝發(fā)；泥沙的縱向流速比水流縱向流速大得愈多，愈不容易導(dǎo)致流體猝發(fā)的形成，但當(dāng)泥沙的縱

6、向流速比水流的縱向流速為小時(shí)(天然情形中常常這樣)，較易導(dǎo)致猝發(fā)的產(chǎn)生。9的研究表明，泥沙尺寸在一定范圍內(nèi)愈大，將使猝發(fā)次數(shù)增加，使湍流度和雷諾應(yīng)力增加；泥沙含量增加，使猝發(fā)頻率和流條平均空間尺寸不變。觀察表明，似乎是近壁區(qū)的低速流條的上升和破裂控制著泥沙的傳輸，泥沙大部分在低速流條區(qū)積聚，后被流體上舉帶離床面，開始運(yùn)動(dòng)的。10的研究再一次表明，猝發(fā)歷時(shí)隨壁粗糙度的增加而減少。順便指出，11研究高分子減阻中，相同摩阻流速條件下，減阻液和清水中兩種情形下猝發(fā)歷時(shí)和猝發(fā)空間長(zhǎng)度之比值都近似為一常數(shù)值，約為1.67。    2007-04-23 &#

7、160;          3 平均流速和脈動(dòng)流速3.1 流速分布對(duì)流速分布的研究(這里以明渠為研究對(duì)象)人們作了大量工作，自從普朗特提出流速分布的對(duì)數(shù)公式后，50年代12曾給出了在整個(gè)邊界層都適用的流速分布公式umax-u/u*=1/kln(/y)+/k f (y/)(5)式中 k為卡門常數(shù)，為邊界層原子度，/k f (y/)為尾流函數(shù)。據(jù)1314的研究，在明渠中，可以認(rèn)為對(duì)數(shù)率一直適用到水面，即認(rèn)為尾流函數(shù)為零。這里采用竇國(guó)仁流速分布公式(7)在上述流速分布公式中，對(duì)如下變換群變換，其形式保

8、持不變1=,u1=-u(8) 上述變換也稱之為重整化群變換，(為重整化群參數(shù))。在粗糙和過渡情形時(shí)，16經(jīng)過研究后認(rèn)為令    2007-04-23        (10)易知，在上述流速分布公式中，若令 (12)(14) 式中 k為卡門常數(shù)，為邊界層原子度，的大小的量)可參看圖2。，則有(16)(19)平均流粘性耗散能相對(duì)于E3所占的百分比  若u*y/0，5 則E1/E3=87.3%(20)若u*y/5，10 則E2-E1/E3=9

9、.2%(21)若u*y/0，10 則E2/E3=96.5%(22)若u*y/10，15 則E4/E3=3.4%(23)順便指出也可依照Ex無(wú)任何實(shí)質(zhì)性困難的求出。    3.3 湍流現(xiàn)象    其實(shí)針對(duì)湍流概念，18給出了一個(gè)極好的描述，它聯(lián)系了渦運(yùn)動(dòng)與紊運(yùn)動(dòng)的物理關(guān)系，以及表達(dá)了紊運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間上都是一種局部現(xiàn)象。令1/t=粘性應(yīng)力/紊動(dòng)應(yīng)力=（du/dy）/-uv(25)對(duì)于充分發(fā)展紊流取u*/11,u*y/12,k=0.4知(采用竇國(guó)仁公式)t1.5(26)    在湍流流速場(chǎng)分布中，19找到了如下的速度場(chǎng)之間的廣義自相似性關(guān)系x=x,t=t1-,V=V,（p/）=2（p/）,=1+(27)    2007-04-23         其中為標(biāo)度指數(shù)。針對(duì)柯爾莫哥洛夫的湍流物理圖象，20提出了模型。由模型知，令間歇現(xiàn)象的維數(shù)為D，則(32)26的研究表明，理查遜數(shù)亦可寫為懸浮功與時(shí)均流提供的脈動(dòng)能量之比，即圖3 卡門常數(shù)k值與粒徑間的關(guān)系Relation between Karman k and particle d13"竇國(guó)仁。明渠