2022年不同水深流速分布及推力計算

1、一、流速分布及運(yùn)算 自然界中的水流大部分是湍流；湍流是一種高度復(fù)雜的非線性流體運(yùn)動,在空間中不規(guī)章、時間上無秩序,具有在運(yùn)動過程中液體質(zhì)點不斷混摻的運(yùn)動 特性；實際中流速運(yùn)算一般依據(jù)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo),具有代表性的是“ 六點測 流法” , 2022年之后,聲學(xué)多普勒流速剖面儀開頭被接受,隨后有部分學(xué)者提 出了相應(yīng)的“ 多點法測速運(yùn)算” ；水流由于受到層間切應(yīng)力的作用,其流速沿水深而變化,河底流速小,水 面流速大,河底流速受河床的粘滯作用,基本為零；理論上水流流速由下往上 可分成直線層、過渡層、對數(shù)區(qū)和外層區(qū),其相應(yīng)的運(yùn)算公式如下： 一 直線層 水流為層流（層流是流體的一種流淌狀態(tài),它作層狀的流淌

2、；流體在管內(nèi) 低速流淌時顯現(xiàn)為層流,其質(zhì)點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動；流體 的流速在管中心處最大,其近壁處最??；管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比 等于 0.5 ；）,只受粘滯切應(yīng)力,此時流速可按下式運(yùn)算：y = ghJ J：水力坡度； 0 y 0.5%；水力坡度,又稱比降,是指河流水面單位 距離的落差,常用百分比、千分比、萬分比表示； 二 過渡層水流由層流向紊流過度,既受粘滯切應(yīng)力,又受紊動切應(yīng)力；運(yùn)算方法：近似依據(jù)直線層或者對數(shù)層公式運(yùn)算；（三）對數(shù)區(qū)水流為紊流,主要受紊動切應(yīng)力影響,流速分布呈對數(shù)曲線規(guī)律 , 一般計 算公式如下：u y= A .lgy + By 為運(yùn)算其中 A 和

3、 B 是系數(shù),與床面粗糙情形有關(guān),通過實際資料確定,點至河床的距離；愛因斯坦提出的具體運(yùn)算公式如下: = 5.75lg30.2yxyk s其中 k s為床面粗糙高度,可取床沙代表粒徑；x 為反映對流速分布實際影響的系數(shù),與k s值有關(guān)； : 為近壁層流層的厚度；直線層、過度層、對數(shù)區(qū)合稱為內(nèi)層區(qū),區(qū)內(nèi)流速分布主要受床面的影響；（四） 外層區(qū) 水流為紊流,其流速分布除受床面的影響外,仍要受到上游來流條件和上部 邊界條件的影響,因而其分布規(guī)律偏離對數(shù)曲線而有一流速增值,運(yùn)算公式的 一般運(yùn)算形式為：= A .lgy + B + k . y h.式中, 為尾跡強(qiáng)度系數(shù)； k 為卡門常數(shù)； 料確定； y

4、 意義同前, h 為斷面水深； 五 實際應(yīng)用為函數(shù)符號； 和 k 通過實測資在實際中,通常將對數(shù)區(qū)的流速分布公式推廣到全部水深,依據(jù)全部水深上 的流速分布資料來確定對數(shù)流速分布公式中的系數(shù),再將對數(shù)流速分布公式用 到全部水深上去；在寬深比介于 6 至 10 之間的的河槽中,斷面上任一點的水流不僅受到來自河 底紊動渦體的作用,仍同時受到來自河岸紊動渦體的作用；縱向流速不僅沿水 深變化,沿斷面橫向分布也是不均勻的,接近河岸的垂線與河心的垂線流速分 布相差較大,岸邊垂線的最大流速往往不在水面上；河槽過于窄深時,河中心 垂線的最大流速也不在水面；（六）六點實測法運(yùn)算垂線平均流速一般的流速垂線分布形式如

5、右圖所示；設(shè) 六點法測量的水深位置分別為 h0 h 1 h 2 h 3 h 4 h5, 對應(yīng)的流速分別為 V0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5, 從表 層到底層兩層之間面積為分別為 S0 S 1 S 2 S 3 S4 S 5 ,就用積分方法得到的垂線平均流速 V 運(yùn)算公式如下： V=1 .S 0 +S 1 +S 2 +S 3 +S4+S5 在傳統(tǒng)的六點法測流中,通常是h0=0,h 1=0.2H,h 2=0.4H,h 3=0.6H,h 4=0.8H,h 5=H, 就上式可優(yōu)化為1 V= 10V0+2（V1+V2+V3+V4）+V5 ；如需運(yùn)算某一點的流速,就依據(jù)上述測得值所匯出的函數(shù)圖像

6、,可以粗略估 計某一點的流速；利用傳統(tǒng)六點法運(yùn)算垂線流速平均值或是某一點流速時,因這種數(shù)據(jù)處取用 的原數(shù)據(jù)較少,因此會缺失垂線平均流速運(yùn)算值的精度；而聲學(xué)多普勒流速剖面儀可以測得一條垂線上沒1m甚至小于 1m一層的流速數(shù)據(jù),對于水深10m以上的水域,在一條垂線上可以測得10 層以上的數(shù)據(jù),因此對應(yīng)于上述六點分析法,可以類似地推導(dǎo)出多點分析法,從而大大提高運(yùn)算結(jié)果的精度；二、水流力運(yùn)算（一） 水流推動力水流推動力作用方向為順?biāo)鞣较?作用位置為水流底部,水流推動力反應(yīng)了 河床面物體是否被推移,可用來運(yùn)算河床沖刷；具體運(yùn)算公式為：. 1= wHJ 式中, P1為水流推動力； w 為水的容重； H為水深； J 為水力坡度；圖 2 水流推移力示意圖圖 3 河床不同土質(zhì)的臨界推移力 二 水流對阻流面的沖擊力圖 4 水流沖擊力示意圖作用方向：水平向：作用位置：阻流面高度的一半；2 1 - cos P2 = k .w .h . g . sin 式中： P2- 水流推動力（ kN/m）；1.0 ,k- 繞流系數(shù),對實體壩而言,壩身寬度與壩長相比小得多時取寬度與長度大致相等時取 0.7 ；w- 水的容重（ kN/m3）；h- 阻流面高度 m, 不漫水時為阻流面前的水深,漫水時為阻流物的 高度； g 為重力加速度：- 水流沖擊方向與阻流面間的夾角：為靠近阻流面處水流