明渠紊流的猝發(fā)現(xiàn)象課件

明渠紊流的猝發(fā)現(xiàn)象明渠紊流的猝發(fā)現(xiàn)象1目錄猝發(fā)現(xiàn)象明渠紊流猝發(fā)現(xiàn)象23紊流1目錄猝發(fā)明渠紊流23紊流12紊流1紊流13紊流定義及其特性紊流是一種不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間和空間作隨機(jī)變化，因而其本質(zhì)上是三維非定常流動(dòng)，且流動(dòng)空間分布著無(wú)數(shù)大小、形狀各不相同的漩渦。1.隨機(jī)性2.擴(kuò)散性3.有旋性、三維性.4.大雷諾數(shù)性質(zhì)5.耗散性主要特征6.連續(xù)性7.相關(guān)性8.間歇性9.擬序性紊流定義及其特性紊流是一種不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間4猝發(fā)現(xiàn)象2猝發(fā)現(xiàn)象25猝發(fā)現(xiàn)象流動(dòng)穩(wěn)定性理論主要研究可能發(fā)生的流動(dòng)條件而并未涉及紊流發(fā)生的物理過(guò)程。猝發(fā)現(xiàn)象則是紊流得以發(fā)生和賴以維持的物理過(guò)程。在流動(dòng)穩(wěn)定的情況下，即使產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，也將被衰減，因而流動(dòng)型態(tài)并不會(huì)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌Ｒ坏┝鲃?dòng)失去穩(wěn)定，在壁面邊界層流動(dòng)中，猝發(fā)現(xiàn)象將導(dǎo)致層流到紊流的轉(zhuǎn)變，并提供維持紊流運(yùn)動(dòng)所需要的大部分能量。TextTextTextTextTextText猝發(fā)現(xiàn)象流動(dòng)穩(wěn)定性理論主要研究可能發(fā)生的流動(dòng)條件而并未涉及紊6圖6-14表示了猝發(fā)現(xiàn)象的過(guò)程及各個(gè)階段的速度分布曲線形狀，圖中實(shí)線為瞬時(shí)流速分布，虛線為時(shí)均流速分布。圖6-14表示了猝發(fā)現(xiàn)象的過(guò)程及各個(gè)階段的速度分布曲線形狀，7馬蹄渦頭部的上舉最終形成底部低速流體向上層高速流動(dòng)區(qū)域噴射，噴射一般發(fā)生在y+=10~30的流區(qū)。可以把相鄰兩個(gè)噴射之間的時(shí)間間隔作為猝發(fā)現(xiàn)象的周期。低速流體向上噴射將伴隨上層高速流體向下層俯沖而形成清掃。噴射和清掃都形成流體內(nèi)部的剪切層，使斷面瞬時(shí)流速呈現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的狀況。

圖6-15表示在猝發(fā)的噴射階段（a）及清掃階段（b）的瞬時(shí)流速分布曲線。

馬蹄渦頭部的上舉最終形成底部低速流體向上層高速流動(dòng)區(qū)域噴射，8清掃過(guò)后瞬時(shí)的流速分布恢復(fù)正常，拐點(diǎn)消失，如圖6-14所示。清掃過(guò)程中的速度分布如圖6-15中曲線（b）。由馬蹄渦的形成、發(fā)展到發(fā)生噴射和清掃，整個(gè)過(guò)程稱為猝發(fā)現(xiàn)象。清掃過(guò)后，粘性底層中重新出現(xiàn)低速帶，開(kāi)始一個(gè)新的猝發(fā)過(guò)程。清掃過(guò)后瞬時(shí)的流速分布恢復(fù)正常，拐點(diǎn)消失，如圖6-14所示。9表面糙率與明渠紊流猝發(fā)現(xiàn)象3表面糙率與明渠310已有實(shí)驗(yàn)研究證明猝發(fā)現(xiàn)象(burstingphenomenon)是紊流的普遍現(xiàn)象,當(dāng)紊動(dòng)水流的流速增大到一定程度,盡管發(fā)生的時(shí)間和位置尚無(wú)法精確預(yù)言,但從高低速相間的條紋到低速馬蹄渦搖擺抬升,再?gòu)牡退倭黧w向外層噴射(ejection)到外層高速流體向邊界層內(nèi)低速區(qū)俯沖清掃(sweep)……這一系列現(xiàn)象會(huì)依次演變.雖然已有學(xué)者證明表面粗糙時(shí)也會(huì)發(fā)生與表面光滑時(shí)相類似的猝發(fā)現(xiàn)象,但對(duì)有關(guān)規(guī)律的認(rèn)識(shí)很有限,十分需要深入進(jìn)行相關(guān)的定性分析和量化研究.TextTextTextTextTextText已有實(shí)驗(yàn)研究證明猝發(fā)現(xiàn)象(burstingphenom111.1實(shí)驗(yàn)裝置有機(jī)玻璃循環(huán)水槽壁面光滑,試驗(yàn)段長(zhǎng)130cm,寬14.5cm,高12cm.采用PIV粒子圖像速度場(chǎng)儀和氫氣泡流場(chǎng)顯示儀拍攝流場(chǎng)圖像后進(jìn)行有關(guān)分析.系列試驗(yàn)采用五種材料使水槽底部糙率相互間有數(shù)量級(jí)差異并且在較大范圍內(nèi)變化:(1)光面有機(jī)玻璃平板;(2)粘貼500目防水砂紙的有機(jī)玻璃平板;(3)粘貼360目防水砂紙的有機(jī)玻璃平板;(4)粘結(jié)d50=0.5mm樹(shù)脂顆粒的有機(jī)玻璃平板;(5)粘結(jié)d50=6.0mm塑料顆粒的有機(jī)玻璃平板.1.1實(shí)驗(yàn)裝置有機(jī)玻璃循環(huán)水槽壁面光滑,試驗(yàn)段長(zhǎng)13121.2實(shí)驗(yàn)方案測(cè)試在水槽試驗(yàn)段進(jìn)口下游95cm處進(jìn)行.調(diào)整水泵電機(jī)頻率使斷面雷諾數(shù)ReR

在6050至9240的范圍內(nèi)變化,相應(yīng)的摩阻流速U*的變化范圍是0.005～0.020m/s;表面粗糙雷諾數(shù)ReΔ的變化范圍是0.082至105.有關(guān)參數(shù)的定義和計(jì)算公式:ReR=RV/νReΔ=ΔU*/ν系列試驗(yàn)的近壁區(qū)流態(tài)分別為明渠水流的光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)和粗糙區(qū),由于小型明槽壁面光滑時(shí)斷面形狀對(duì)謝才系數(shù)C的影響可略,故采用光滑圓管模式估算光滑區(qū)的斷面平均流速;過(guò)渡區(qū)和粗糙區(qū)的估算公分別采用:V=U*(5.75lg(2RU*ν)+1.75)V=-5.6569U*lg(0.083ΔR+2.21x10-6(U*R))V=U*(5.75lg(HΔ)+6.25)其中:R為斷面水力半徑,單位為m；ν為水體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù),單位為m2/s;

Δ為表面粗糙的凸起高度,單位為m;U*為摩阻流速;H為水深,單位為m。1.2實(shí)驗(yàn)方案測(cè)試在水槽試驗(yàn)段進(jìn)口下游95cm處進(jìn)行13明渠紊流的猝發(fā)現(xiàn)象課件142流場(chǎng)綜合分析法紊流猝發(fā)現(xiàn)象借助于流動(dòng)顯示才逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。過(guò)去廣泛采用條件采樣技術(shù),特別是象限法來(lái)檢測(cè)猝發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生.但單純的流動(dòng)顯示法和著眼于分析點(diǎn)量測(cè)數(shù)據(jù)的條件采樣法均有局限性.由于紊流擬序結(jié)構(gòu)本身是場(chǎng)現(xiàn)象,宜著眼于流場(chǎng)分析將流動(dòng)顯示與計(jì)算機(jī)圖像處理相結(jié)合.流場(chǎng)綜合分析法是充分利用PIV粒子圖像速度場(chǎng)儀和流動(dòng)顯示功能對(duì)猝發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行全面綜合場(chǎng)分析.在觀測(cè)部位上游設(shè)置直徑約為0.01mm的細(xì)鉑金絲為負(fù)電極,直流電脈沖電解水體,沿鉑金絲形成極為細(xì)小的氫氣泡.由于直流電脈沖產(chǎn)生的氫氣泡直徑僅0.1mm,對(duì)流場(chǎng)干擾較小,氫氣泡“云團(tuán)”能夠很好地跟隨流體運(yùn)動(dòng),適宜作為研究猝發(fā)現(xiàn)象的流動(dòng)示蹤物.

2流場(chǎng)綜合分析法紊流猝發(fā)現(xiàn)象借助于流動(dòng)顯示才逐漸被人們所認(rèn)152流場(chǎng)綜合分析法采用TSI公司的PIV粒子圖像速度場(chǎng)儀.由兩個(gè)激光發(fā)生器各自發(fā)出系列脈沖片狀激光照射流場(chǎng),脈沖間歇時(shí)間為1/15s;工作時(shí)兩個(gè)激光發(fā)生器相應(yīng)地先后發(fā)出激光照射時(shí)它們的時(shí)間間隔極短,為1/5000s;照相機(jī)在兩個(gè)激光發(fā)生器工作時(shí)同步連續(xù)拍照.照相機(jī)的有效拍照范圍為80×80mm;由于片狀激光的厚度僅1mm,對(duì)兩幅由不同激光照射而時(shí)間間隔僅為1/5000s的照片進(jìn)行相關(guān)分析可獲得高精度的流速矢場(chǎng)圖,并可進(jìn)行瞬時(shí)流速分析計(jì)算。2流場(chǎng)綜合分析法采用TSI公司的PIV粒子圖像速度163.1猝發(fā)形態(tài)成果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,若表面粗糙度不大,當(dāng)粗糙雷諾數(shù)ReΔ值較小時(shí)可清楚地觀測(cè)到單個(gè)噴射和清掃現(xiàn)象(參見(jiàn)上圖),群體噴射較少;3.1猝發(fā)形態(tài)成果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,若表面粗糙度不大,17當(dāng)ReΔ值較大時(shí),噴射呈顯多頭群體噴發(fā)趨勢(shì)(參見(jiàn)圖3a).隨著表面粗糙度增大,即使ReΔ值不大單噴也在減少,而群體噴發(fā)增加.ReΔ增加后,主流區(qū)的平均動(dòng)能和床面附近的紊動(dòng)動(dòng)能都在增加,噴發(fā)密度明顯增加;清掃射流遭遇到多次噴發(fā)形成的“噴射墊層”的抵抗,常常不能一次性地迅速清掃床面區(qū)域,需持續(xù)清掃;ReΔ值顯著增加后,噴射在清掃時(shí)也常發(fā)生(參見(jiàn)圖3c)當(dāng)ReΔ值較大時(shí),噴射呈顯多頭群體18試驗(yàn)表明相對(duì)于水深H的“噴射墊層相對(duì)厚度η”隨粗糙雷諾數(shù)ReΔ有增加趨勢(shì),由水深的1/20達(dá)到1/10(參見(jiàn)圖4).試驗(yàn)表明相對(duì)于水深H的“噴射墊層相對(duì)厚度η”隨粗193.2猝發(fā)周期Tb定義無(wú)量綱猝發(fā)周期

Tb

為:Tb=TU*/

H由圖可見(jiàn)當(dāng)ReΔ<1時(shí)猝發(fā)周期Tb

大約為0.0249～0.042,變化不大;當(dāng)ReΔ>5時(shí)猝發(fā)周期Tb增值較多,達(dá)到0.0706.其原因是隨著粗糙雷諾數(shù)ReΔ的增加,猝發(fā)呈多頭噴發(fā)態(tài)勢(shì),清掃與噴發(fā)相持時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致猝發(fā)周期Tb

加大.在ReΔ增加到一定程度,原較清晰的紊流猝發(fā)周期變得較為模糊.3.2猝發(fā)周期Tb定義無(wú)量綱猝發(fā)周期由圖可見(jiàn)當(dāng)ReΔ203.3噴射角?與相對(duì)噴射高度ζ

相對(duì)噴射高度：ζ=ymax/H由圖可見(jiàn),隨著粗糙雷諾數(shù)ReΔ的增加,相對(duì)噴射高度ζ有逐漸增加的趨勢(shì),約可達(dá)到1/8斷面水深;而最大噴射角?的變化范圍較大,約為35～75°,當(dāng)粗糙雷諾數(shù)ReΔ增大時(shí)邊界層內(nèi)紊動(dòng)加大使得噴射角有加大的趨勢(shì).3.3噴射角?與相對(duì)噴射高度ζ相對(duì)噴射高度：由圖可見(jiàn)213.4噴射尺度Le+

與清掃尺度Ls+定義無(wú)量綱噴射尺度Le+

與清掃尺度Ls+

為:Le+=LeU*/

νLs+=LsU*/ν實(shí)驗(yàn)表明,隨著雷諾數(shù)ReΔ的增大,噴射范圍和清掃范圍均有增大趨勢(shì);清掃范圍明顯大于噴射范圍,但清掃范圍尚不到噴射范圍的2倍.3.4噴射尺度Le+與清掃尺度Ls+定義無(wú)量綱噴射尺度223.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖10為NXF10/036A時(shí)多頭群噴照片及其流速矢量場(chǎng)圖.計(jì)算分析表明,在發(fā)生噴射部位邊界層近底流速相對(duì)較小,僅為0.06m/s;左方噴射頭部的流速矢量顯示了噴射流體最大噴射速度達(dá)到0.20m/s,是底部流速的3倍多.3.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖10為NX233.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖11為NXF10/039A清掃開(kāi)始的照片及其流速矢量場(chǎng)圖3.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖11為243.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖12的照片和矢量場(chǎng)圖表明ReΔ值較大時(shí)存在“噴射墊層”的抵抗.3.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖12的照253.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖13顯示NMF10試驗(yàn)時(shí)的清掃情景,在左方清掃區(qū)沿流向可以清楚地分辨出下掃矢量與上射矢量合成為水平矢量后與上射矢量相間分布,在中部還可見(jiàn)下掃矢量.3.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖13顯示263.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.2由單噴向群噴轉(zhuǎn)變3.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.2由單噴向群噴轉(zhuǎn)變273.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.3次生流促進(jìn)噴射明渠橫斷面內(nèi)的次生流在猝發(fā)過(guò)程中起重要作用,它使馬蹄渦擺動(dòng),有利于馬蹄渦抬升直到尋找到突破口發(fā)生噴射.在圖17的照片中噴射處上游看不見(jiàn)明顯的噴射現(xiàn)象,由流速矢量場(chǎng)圖可見(jiàn)上游已有噴射和次生流流動(dòng),正是次生流促進(jìn)了噴射(參見(jiàn)圖18).3.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.3次生流促進(jìn)噴射明渠橫斷面內(nèi)的次283.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.4噴射提高水體動(dòng)能κ和紊動(dòng)耗散率ε發(fā)生猝發(fā)現(xiàn)象時(shí)流體被噴射到邊界層稍高部位后向四面八方迸裂,最終是使周圍水體的動(dòng)能κ和紊動(dòng)耗散率ε明顯加大.由圖19可見(jiàn)床面附近水體的動(dòng)能和紊動(dòng)耗散度均較低,而噴射水體附近的動(dòng)能和紊動(dòng)耗散度均分別提高了好幾倍.3.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.4噴射提高水體動(dòng)能κ和紊動(dòng)耗29床面粗糙雷諾數(shù)Rex

對(duì)紊流擬序結(jié)構(gòu)的特性有重要影響.群噴導(dǎo)致了噴射墊層的形成,其厚度隨粗糙雷諾數(shù)增大;噴射迸發(fā)區(qū)水體動(dòng)能和紊流耗散率較床面顯著提高4結(jié)論增大粗糙雷諾數(shù)使群噴現(xiàn)象增多,定量分析表明噴射角、噴射高度、猝發(fā)周期、噴射尺度以及清掃尺度均趨于增大.床面粗糙雷諾數(shù)Rex對(duì)紊流擬序結(jié)構(gòu)的特性有重要影響.3031謝謝觀看31謝謝觀看明渠紊流的猝發(fā)現(xiàn)象明渠紊流的猝發(fā)現(xiàn)象32目錄猝發(fā)現(xiàn)象明渠紊流猝發(fā)現(xiàn)象23紊流1目錄猝發(fā)明渠紊流23紊流133紊流1紊流134紊流定義及其特性紊流是一種不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間和空間作隨機(jī)變化，因而其本質(zhì)上是三維非定常流動(dòng)，且流動(dòng)空間分布著無(wú)數(shù)大小、形狀各不相同的漩渦。1.隨機(jī)性2.擴(kuò)散性3.有旋性、三維性.4.大雷諾數(shù)性質(zhì)5.耗散性主要特征6.連續(xù)性7.相關(guān)性8.間歇性9.擬序性紊流定義及其特性紊流是一種不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，其流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間35猝發(fā)現(xiàn)象2猝發(fā)現(xiàn)象236猝發(fā)現(xiàn)象流動(dòng)穩(wěn)定性理論主要研究可能發(fā)生的流動(dòng)條件而并未涉及紊流發(fā)生的物理過(guò)程。猝發(fā)現(xiàn)象則是紊流得以發(fā)生和賴以維持的物理過(guò)程。在流動(dòng)穩(wěn)定的情況下，即使產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，也將被衰減，因而流動(dòng)型態(tài)并不會(huì)從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌Ｒ坏┝鲃?dòng)失去穩(wěn)定，在壁面邊界層流動(dòng)中，猝發(fā)現(xiàn)象將導(dǎo)致層流到紊流的轉(zhuǎn)變，并提供維持紊流運(yùn)動(dòng)所需要的大部分能量。TextTextTextTextTextText猝發(fā)現(xiàn)象流動(dòng)穩(wěn)定性理論主要研究可能發(fā)生的流動(dòng)條件而并未涉及紊37圖6-14表示了猝發(fā)現(xiàn)象的過(guò)程及各個(gè)階段的速度分布曲線形狀，圖中實(shí)線為瞬時(shí)流速分布，虛線為時(shí)均流速分布。圖6-14表示了猝發(fā)現(xiàn)象的過(guò)程及各個(gè)階段的速度分布曲線形狀，38馬蹄渦頭部的上舉最終形成底部低速流體向上層高速流動(dòng)區(qū)域噴射，噴射一般發(fā)生在y+=10~30的流區(qū)?？梢园严噜弮蓚€(gè)噴射之間的時(shí)間間隔作為猝發(fā)現(xiàn)象的周期。低速流體向上噴射將伴隨上層高速流體向下層俯沖而形成清掃。噴射和清掃都形成流體內(nèi)部的剪切層，使斷面瞬時(shí)流速呈現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的狀況。

圖6-15表示在猝發(fā)的噴射階段（a）及清掃階段（b）的瞬時(shí)流速分布曲線。

馬蹄渦頭部的上舉最終形成底部低速流體向上層高速流動(dòng)區(qū)域噴射，39清掃過(guò)后瞬時(shí)的流速分布恢復(fù)正常，拐點(diǎn)消失，如圖6-14所示。清掃過(guò)程中的速度分布如圖6-15中曲線（b）。由馬蹄渦的形成、發(fā)展到發(fā)生噴射和清掃，整個(gè)過(guò)程稱為猝發(fā)現(xiàn)象。清掃過(guò)后，粘性底層中重新出現(xiàn)低速帶，開(kāi)始一個(gè)新的猝發(fā)過(guò)程。清掃過(guò)后瞬時(shí)的流速分布恢復(fù)正常，拐點(diǎn)消失，如圖6-14所示。40表面糙率與明渠紊流猝發(fā)現(xiàn)象3表面糙率與明渠341已有實(shí)驗(yàn)研究證明猝發(fā)現(xiàn)象(burstingphenomenon)是紊流的普遍現(xiàn)象,當(dāng)紊動(dòng)水流的流速增大到一定程度,盡管發(fā)生的時(shí)間和位置尚無(wú)法精確預(yù)言,但從高低速相間的條紋到低速馬蹄渦搖擺抬升,再?gòu)牡退倭黧w向外層噴射(ejection)到外層高速流體向邊界層內(nèi)低速區(qū)俯沖清掃(sweep)……這一系列現(xiàn)象會(huì)依次演變.雖然已有學(xué)者證明表面粗糙時(shí)也會(huì)發(fā)生與表面光滑時(shí)相類似的猝發(fā)現(xiàn)象,但對(duì)有關(guān)規(guī)律的認(rèn)識(shí)很有限,十分需要深入進(jìn)行相關(guān)的定性分析和量化研究.TextTextTextTextTextText已有實(shí)驗(yàn)研究證明猝發(fā)現(xiàn)象(burstingphenom421.1實(shí)驗(yàn)裝置有機(jī)玻璃循環(huán)水槽壁面光滑,試驗(yàn)段長(zhǎng)130cm,寬14.5cm,高12cm.采用PIV粒子圖像速度場(chǎng)儀和氫氣泡流場(chǎng)顯示儀拍攝流場(chǎng)圖像后進(jìn)行有關(guān)分析.系列試驗(yàn)采用五種材料使水槽底部糙率相互間有數(shù)量級(jí)差異并且在較大范圍內(nèi)變化:(1)光面有機(jī)玻璃平板;(2)粘貼500目防水砂紙的有機(jī)玻璃平板;(3)粘貼360目防水砂紙的有機(jī)玻璃平板;(4)粘結(jié)d50=0.5mm樹(shù)脂顆粒的有機(jī)玻璃平板;(5)粘結(jié)d50=6.0mm塑料顆粒的有機(jī)玻璃平板.1.1實(shí)驗(yàn)裝置有機(jī)玻璃循環(huán)水槽壁面光滑,試驗(yàn)段長(zhǎng)13431.2實(shí)驗(yàn)方案測(cè)試在水槽試驗(yàn)段進(jìn)口下游95cm處進(jìn)行.調(diào)整水泵電機(jī)頻率使斷面雷諾數(shù)ReR

在6050至9240的范圍內(nèi)變化,相應(yīng)的摩阻流速U*的變化范圍是0.005～0.020m/s;表面粗糙雷諾數(shù)ReΔ的變化范圍是0.082至105.有關(guān)參數(shù)的定義和計(jì)算公式:ReR=RV/νReΔ=ΔU*/ν系列試驗(yàn)的近壁區(qū)流態(tài)分別為明渠水流的光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)和粗糙區(qū),由于小型明槽壁面光滑時(shí)斷面形狀對(duì)謝才系數(shù)C的影響可略,故采用光滑圓管模式估算光滑區(qū)的斷面平均流速;過(guò)渡區(qū)和粗糙區(qū)的估算公分別采用:V=U*(5.75lg(2RU*ν)+1.75)V=-5.6569U*lg(0.083ΔR+2.21x10-6(U*R))V=U*(5.75lg(HΔ)+6.25)其中:R為斷面水力半徑,單位為m；ν為水體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù),單位為m2/s;

Δ為表面粗糙的凸起高度,單位為m;U*為摩阻流速;H為水深,單位為m。1.2實(shí)驗(yàn)方案測(cè)試在水槽試驗(yàn)段進(jìn)口下游95cm處進(jìn)行44明渠紊流的猝發(fā)現(xiàn)象課件452流場(chǎng)綜合分析法紊流猝發(fā)現(xiàn)象借助于流動(dòng)顯示才逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。過(guò)去廣泛采用條件采樣技術(shù),特別是象限法來(lái)檢測(cè)猝發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生.但單純的流動(dòng)顯示法和著眼于分析點(diǎn)量測(cè)數(shù)據(jù)的條件采樣法均有局限性.由于紊流擬序結(jié)構(gòu)本身是場(chǎng)現(xiàn)象,宜著眼于流場(chǎng)分析將流動(dòng)顯示與計(jì)算機(jī)圖像處理相結(jié)合.流場(chǎng)綜合分析法是充分利用PIV粒子圖像速度場(chǎng)儀和流動(dòng)顯示功能對(duì)猝發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行全面綜合場(chǎng)分析.在觀測(cè)部位上游設(shè)置直徑約為0.01mm的細(xì)鉑金絲為負(fù)電極,直流電脈沖電解水體,沿鉑金絲形成極為細(xì)小的氫氣泡.由于直流電脈沖產(chǎn)生的氫氣泡直徑僅0.1mm,對(duì)流場(chǎng)干擾較小,氫氣泡“云團(tuán)”能夠很好地跟隨流體運(yùn)動(dòng),適宜作為研究猝發(fā)現(xiàn)象的流動(dòng)示蹤物.

2流場(chǎng)綜合分析法紊流猝發(fā)現(xiàn)象借助于流動(dòng)顯示才逐漸被人們所認(rèn)462流場(chǎng)綜合分析法采用TSI公司的PIV粒子圖像速度場(chǎng)儀.由兩個(gè)激光發(fā)生器各自發(fā)出系列脈沖片狀激光照射流場(chǎng),脈沖間歇時(shí)間為1/15s;工作時(shí)兩個(gè)激光發(fā)生器相應(yīng)地先后發(fā)出激光照射時(shí)它們的時(shí)間間隔極短,為1/5000s;照相機(jī)在兩個(gè)激光發(fā)生器工作時(shí)同步連續(xù)拍照.照相機(jī)的有效拍照范圍為80×80mm;由于片狀激光的厚度僅1mm,對(duì)兩幅由不同激光照射而時(shí)間間隔僅為1/5000s的照片進(jìn)行相關(guān)分析可獲得高精度的流速矢場(chǎng)圖,并可進(jìn)行瞬時(shí)流速分析計(jì)算。2流場(chǎng)綜合分析法采用TSI公司的PIV粒子圖像速度473.1猝發(fā)形態(tài)成果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,若表面粗糙度不大,當(dāng)粗糙雷諾數(shù)ReΔ值較小時(shí)可清楚地觀測(cè)到單個(gè)噴射和清掃現(xiàn)象(參見(jiàn)上圖),群體噴射較少;3.1猝發(fā)形態(tài)成果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,若表面粗糙度不大,48當(dāng)ReΔ值較大時(shí),噴射呈顯多頭群體噴發(fā)趨勢(shì)(參見(jiàn)圖3a).隨著表面粗糙度增大,即使ReΔ值不大單噴也在減少,而群體噴發(fā)增加.ReΔ增加后,主流區(qū)的平均動(dòng)能和床面附近的紊動(dòng)動(dòng)能都在增加,噴發(fā)密度明顯增加;清掃射流遭遇到多次噴發(fā)形成的“噴射墊層”的抵抗,常常不能一次性地迅速清掃床面區(qū)域,需持續(xù)清掃;ReΔ值顯著增加后,噴射在清掃時(shí)也常發(fā)生(參見(jiàn)圖3c)當(dāng)ReΔ值較大時(shí),噴射呈顯多頭群體49試驗(yàn)表明相對(duì)于水深H的“噴射墊層相對(duì)厚度η”隨粗糙雷諾數(shù)ReΔ有增加趨勢(shì),由水深的1/20達(dá)到1/10(參見(jiàn)圖4).試驗(yàn)表明相對(duì)于水深H的“噴射墊層相對(duì)厚度η”隨粗503.2猝發(fā)周期Tb定義無(wú)量綱猝發(fā)周期

Tb

為:Tb=TU*/

H由圖可見(jiàn)當(dāng)ReΔ<1時(shí)猝發(fā)周期Tb

大約為0.0249～0.042,變化不大;當(dāng)ReΔ>5時(shí)猝發(fā)周期Tb增值較多,達(dá)到0.0706.其原因是隨著粗糙雷諾數(shù)ReΔ的增加,猝發(fā)呈多頭噴發(fā)態(tài)勢(shì),清掃與噴發(fā)相持時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致猝發(fā)周期Tb

加大.在ReΔ增加到一定程度,原較清晰的紊流猝發(fā)周期變得較為模糊.3.2猝發(fā)周期Tb定義無(wú)量綱猝發(fā)周期由圖可見(jiàn)當(dāng)ReΔ513.3噴射角?與相對(duì)噴射高度ζ

相對(duì)噴射高度：ζ=ymax/H由圖可見(jiàn),隨著粗糙雷諾數(shù)ReΔ的增加,相對(duì)噴射高度ζ有逐漸增加的趨勢(shì),約可達(dá)到1/8斷面水深;而最大噴射角?的變化范圍較大,約為35～75°,當(dāng)粗糙雷諾數(shù)ReΔ增大時(shí)邊界層內(nèi)紊動(dòng)加大使得噴射角有加大的趨勢(shì).3.3噴射角?與相對(duì)噴射高度ζ相對(duì)噴射高度：由圖可見(jiàn)523.4噴射尺度Le+

與清掃尺度Ls+定義無(wú)量綱噴射尺度Le+

與清掃尺度Ls+

為:Le+=LeU*/

νLs+=LsU*/ν實(shí)驗(yàn)表明,隨著雷諾數(shù)ReΔ的增大,噴射范圍和清掃范圍均有增大趨勢(shì);清掃范圍明顯大于噴射范圍,但清掃范圍尚不到噴射范圍的2倍.3.4噴射尺度Le+與清掃尺度Ls+定義無(wú)量綱噴射尺度533.5速度矢量場(chǎng)分析3.5.1噴射與清掃的特點(diǎn)圖10為NXF10/036A時(shí)多頭群噴照片及其流速矢量場(chǎng)圖.計(jì)算分析表明,在發(fā)生噴射部位邊界層近底流速相對(duì)較小,僅為0.06m/s;