基于超聲流速儀的流場分析及流速分布新方法

基于超聲流速儀的流場分析及流速分布新方法

沙子涌流沿垂直線的分布是沙子涌流理論研究的重要課題之一。Prandtl、Coleman、Zagustin、Bazin、張紅武等通過不同的混合摻長得到較多的半經(jīng)驗半理論的研究成果,除常見的對數(shù)流速分布公式外,還有雙曲正切函數(shù)、拋物線、指數(shù)分布等形式。20世紀(jì)20年代,Coleman和Prandtl通過因次分析提出了指數(shù)流速分布公式,錢寧等提出的指數(shù)流速分布公式中考慮了顆粒之間粘結(jié)力的影響,陳永寬提出的指數(shù)流速分布公式形式簡單。近期的研究工作已經(jīng)發(fā)現(xiàn),泥沙與水流的相互作用將會影響到挾沙水流的流動結(jié)構(gòu),包括紊動結(jié)構(gòu)、流速沿垂線的分布等。實際上陳永寬公式中指數(shù)m在1/6~1/8之間變化在一定程度上反映出這種影響。本文將采用MicroADV流速儀測量挾沙水流流速沿垂線的分布,分析泥沙與水流相互影響對流速分布的影響,進(jìn)而提出考慮這種影響的流速分布公式。1超聲型溫度測量試驗在寬、高均為0.5m,長為33m的可變底坡的玻璃水槽中進(jìn)行。試驗沙采用黃河天然沙及長江天然沙兩種,泥沙為均勻沙,粒徑為0.033~0.088mm。實驗中控制床面處于沖淤平衡狀態(tài)。流速采用超聲流速儀(MicroADV)測量,超聲測速的原理是Doppler效應(yīng):Fdoppler=?2Fsource(V/C)Fdoppler=-2Fsource(V/C)式中Fdoppler為接收頻率的變化(Dopper效應(yīng));Fsource為發(fā)射相位的頻率;C為聲速;V為發(fā)射探頭與接受控制體積的相對速度。試驗觀測了不同條件(包括粒徑、濃度、流量和比降)下沿垂線不同點(diǎn)的水流流速、泥沙濃度。挾沙水流的實驗參數(shù)見表1。2試驗數(shù)據(jù)的分析2.1泥沙濃度、比降、流速梯度對含沙量的影響相同水流條件下,對粒徑小于0.03mm的細(xì)顆粒(717系列),泥沙濃度增加,流速分布沒有明顯的變化,流速梯度基本不變;對顆粒粒徑為0.065~0.09mm的泥沙顆粒(820系列),泥沙濃度增加,挾沙后主流區(qū)流速有所增加,流速梯度增大,近壁區(qū)沒有明顯的變化;對于粒徑小于0.25mm的粗顆粒(729系列),濃度增加,主流區(qū)流速有所增加,流速梯度增大,近壁區(qū)沒有明顯的變化(圖1),JimBest、M.Muster實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)保持流量、比降不變時,增加含沙量,流速明顯增大。在相同水流條件和相同粒徑條件下,濃度增加,主流區(qū)水流流速明顯增大,近壁區(qū)沒有明顯變化,如圖2所示。2.2壁區(qū)的計算結(jié)果陳永寬指數(shù)型公式形式簡單,用本文試驗資料進(jìn)行驗證,結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,在近壁區(qū)計算值與實測值吻合較好,而主流區(qū)偏差較大。這說明泥沙條件的影響在公式中還沒有得到充分反映。本文提出如下形式的挾沙水流流速沿垂線分布式uu?=k(yh)m(1)uu*=k(yh)m(1)圖4是729、717和727測次實測流速與計算流速的對比,結(jié)果表明二者吻合較好。3參數(shù)討論1中的參數(shù)3.1泥沙濃度s與系數(shù)k的關(guān)系圖5點(diǎn)繪了731、729系列系數(shù)k與泥沙濃度s的關(guān)系,結(jié)果表明系數(shù)k隨泥沙濃度s增加而增大。731系列的濃度由3.83增加到4.33kg/m3,系數(shù)k從23.56增加到23.78;729系列的濃度由2.16增加到8.27kg/m3,系數(shù)k由21.74增加到23.39。圖6給出了716系列系數(shù)k與泥沙濃度s的關(guān)系。當(dāng)泥沙濃度s從0增加到8.95kg/m3,系數(shù)k先隨濃度增加而增加,達(dá)到最大值以后,隨濃度的進(jìn)一步增加逐漸減小。圖7表明除了濃度以外,還有其他因素(水力條件和泥沙顆粒粒徑)也將影響系數(shù)k。3.2指數(shù)m(1)c.424、c.429以及779系列的m圖8中點(diǎn)繪了挾沙后不同測次流速分布曲線,其中727系列的m分別為0.1864、0.1955、0.2044,729系列的m分別為0.1267、0.1323、0.1369?？梢钥闯鲈谒l件相同的情況下,濃度增加,指數(shù)m也變大。(2)流速分布的曲線圖9中給出水力條件及泥沙濃度相同、顆粒粒徑不同(粒徑分別為0.033mm和0.08mm)的兩個測次的流速分布曲線,其中7163和7173測次的m分別為0.1326和0.1134,7163和7173測次的m分別為0.1486和0.1305。表明指數(shù)m隨顆粒粒徑d增大而減小。4基于指數(shù)流速分布公式的測量結(jié)果(1)不同濃度、不同粒徑泥沙對挾沙水流流速的影響不同,現(xiàn)有的指數(shù)型流速分布公式不能完全反映泥沙對挾沙水流流速分布的影響。本文提出了新的指數(shù)型流速分布公式,實測資料檢驗表明,公式與實測資料比較吻合。(2)相同或相近的水力條件下,