人工加糙明渠糙率值与水流流态关系试验.docx
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人工加糙明渠糙率值与水流流态关系试验
人工加糙明渠糙率值与水流流态关系试验
摘要:
采用3种不同粒径粗糙度的人工加糙明渠和光滑PVC壁面明渠,在9种不同底坡、6组不同的流量条件下,研究了明渠均匀流中糙率值与粗糙度、弗汝德数间相关关系。
研究结果表明:
(1)相同流量条件下:
随着弗汝德数Fr的增大,糙率n值逐渐增大。
同一弗汝德数Fr下,粗糙度Δ越大,糙率n值越大。
(2)不同绝对粗糙度下:
随着弗汝德数Fr增大,糙率n值增大。
当Fr10时(即急流),糙率n值与绝对粗糙度Δ有关,与Fr关系不大,即n=f(Δ)。
关键词:
粗糙度;均匀流;糙率系数;弗汝德数
中图分类号:
TV135.3文献标志码:
A文章编号:
16721683(2016)02018304
Abstract:
Therelationshipsbetweentheroughnessvaluesandroughness,Froudenumberofopenchannelflowwereinvestigatedusing3kindsofdifferentroughnessofartificialroughnesschannel,in9differentbottomslopesand6groupsofdifferentflowconditions.Theresultsshowedthat:
(1)Underthesameflowcondition,withtheincreaseofFroudenumberFr,theroughnessvaluenincreased.UnderthesameFroudenumberFr,thegreatertheroughnessΔ,thegreatertheroughnessvaluen.
(2)Underdifferentabsoluteroughness,whenFr1.theroughnessvaluenwasrelatedwithabsoluteroughnessΔ,andhadlittlerelationwithFroudenumberFr,n=f(Δ).
Keywords:
roughness;uniformflow;roughnessvalues;Froudenumber
1概述
明渠渠道是具有自由表面水流的一种渠道。
明渠水流由于表面不受约束,对其研究较复杂,而明渠水流的水力计算是水利工程计算中一个重要的组成部分,其中,在工程设计及投资中糙率值的确定具有非常重要的意义[12]。
无论在天然渠道还是人工渠道中,从水力学的角度出发,河床面的粗糙程度和流态是水流沿程能量损失的重要影响因素。
在河道中水流多属于紊流,经试验证明,在此条件下,水流沿程损失只与河流床壁粗糙度有关,边界表面越粗糙,其糙率值就越大[36]。
多年来,对于人工渠道糙率系数变化规律的探索,国内外学者进行了大量研究,结果表明:
人工渠道的糙率与渠道的流量、平均水深、流速、水力半径、壁面粗糙度、底坡、断面形状、弗汝德数等水力因素有关[715]。
如何建京[16]在粗糙床面均匀流试验中说明粗糙程度对均匀流的糙率系数影响较大,实际工程也表明粗糙度对其影响,如礼河二级电站尾水工程过水能力不足的原因,主要是通流表面的粗糙程度远远超过了允许限度[17]。
但到目前为止,许多关系并无定论,甚至有一些相悖的结论。
如杨岑在不同人工加糙渠道试验中得出糙率系数随弗汝德数的增加而呈幂函数下降趋势[18],而在变底坡渠道试验结果表明当流量相同时,随着弗汝德数Fr的增大,糙率n值增大[19]。
本文从明渠均匀流着手,在不同粗糙度、不同底坡条件下,对糙率值的变化规律以及水流的水力特性展开试验研究,探索糙率系数与粗糙度、弗汝德数之间的相关关系,为研究糙率系数性质的基础理论和糙率系数正确选取提供依据。
2试验装置及方案
2.1试验装置
试验在新疆农业大学水利与土木工程学院水工实验大厅进行,采用长15m、宽036m、深029m的PVC板矩形渠道,底板下放置钢梁以便后期调整渠道坡度。
试验系统包括泵房、供水管道、调节阀门、量水堰、水箱、地下回水渠道。
为了获得试验所需要的明渠均匀流,在渠道前端安设水箱,用以稳定水流,当固定流量条件下的上下游水位稳定时,使其产生均匀流。
试验系统见图1。
2.2试验方案
由于要对渠道的底坡进行多次调整,故在渠道底板上架设了钢梁。
渠道与水箱采用橡皮材质连接,便于调整底坡。
为保证渠道底坡的精度,将渠道分为11个断面,通过水准仪控制每个断面的高程。
水准仪的测量精度为01mm。
取0+03、0+04、0+05、0+06、0+07、0+08、0+09、0+010、0+011、0+012、0+013作为测量水深的断面。
使用水位测针对水深进行测量。
每个测量断面分别布置左、中、右3个测点,计算时采用以上3点的均值。
试验在3种粒径人工加糙壁面和PVC光滑壁面上进行。
将渠道底部和两侧边壁都黏贴砂砾,其砂粒粒径分别为d=1~2mm、d=2~3mm和d=3~5mm,其绝对粗糙度Δ分别为15mm,25mm,4mm。
其中,PVC光滑壁面的绝对粗糙度Δ分别为0015mm[21]。
选取001、002、003、0008、0006、0004、0002、0001、00005共9种不同的底坡进行试验。
试验中通过流量调节阀门和量水堰控制流量大小及精度。
每种底坡条件下均选取6组流量,试验流量的变化范围为13~28L/s,流量调节幅度为3L/s。
[BT2+*5][STHZ]3试验结果及分析
明渠均匀流中糙率系数计算采用谢才曼宁公式[1]如下:
n=[SX(]1[][WTB1X]v[WTBX][SX)]R2/3J1/2[JY]
(1)
式中:
n为糙率;[WTB1X]v[WTBZ]为断面平均流速(m/s);R为断面的水力半径(m);J为水力比降,在均匀流中,J=i。
弗汝德数Fr是断面平均流速和波速的比值,计算公式为
Fr=[SX(][WTB1X]v[][WTBX][KF(]gh[KF)][SX)][JY]
(2)
式中:
[WTB1X]v[WTBZ]为断面平均流速(m/s);g为重力加速度,取981m/s2;h为断面平均水深(m)。
根据不同粗糙度壁面、不同底坡、不同流量下实测的流量、水深,计算[WTB1X]出v和R,[WTBX]再通过公式
(1)计算出所对应的糙率值。
通过公式
(2)可得相对应弗汝德数Fr。
由计算结果绘制糙率n与弗汝德数Fr的关系,试验结果见图2。
[BT3+*8][STHZ]3.1相同流量下nFr关系
由图2可以看出,当流量相同时,随着弗汝德数Fr的增大,糙率n值增大。
同时还可以看出,当弗汝德数Fr1时(即急流),渠道糙率随弗汝德数Fr变化的速率较慢,这与赵锦程[19]的试验结果相同。
图2还可以看出,同一弗汝德数Fr下,粗糙度越大,糙率值越大,这与何建京[7]、杨岑[18]等人的试验结果相同,验证试验数据有效可用。
3.2不同粗糙度下nFr关系
将糙率值n与弗汝德数Fr依据绝对粗糙度Δ点绘于图3。
由上图实测数据图可以看出,糙率值随弗汝德数的变化可以分三个阶段研究:
(1)当Fr<070时(即缓流),此时试验点集中落在AB直线左侧,这表明此时的糙率n值与壁面绝对粗糙度Δ关系不大,与弗汝德数Fr关系较大,即n=f(Fr);
(2)[JP+1]当070 随着Fr增大,糙率n值增大,同时绝对粗糙度Δ越大,直线越陡。 这表明此时的糙率n值不仅与Fr有关,还与绝对粗糙度Δ有关,即n=f(Fr,Δ); (3)当Fr>10时(即急流),此时试验点都落在CD直线右侧,各试验点虽然落在不同曲线上,但各曲线基本与横线坐标轴Fr平行。 这表明此时的糙率n值与绝对粗糙度Δ关系较大,与Fr关系小,即n=f(Δ)。 4结语与展望 通过对不同人工加糙明渠变底坡试验研究得出以下几点结论: (1)相同流量下: 随着弗汝德数Fr增大,糙率n值增大。 当Fr1时(即急流),渠道糙率n随弗汝德数Fr变化的速率较慢。 相同弗汝德数Fr,粗糙度Δ越大,糙率n值越大。 (2)不同绝对粗糙度Δ下: 随着弗汝德数Fr增大,糙率n值增大。 当Fr10时(即急流),糙率n值与绝对粗糙度Δ关系较大,与弗汝德数Fr关系不大,即n=f(Δ)。 (3)本试验结论分析所采用边界值Fr=07和Fr=10是由试验数据分析图图3直接分析所得,由于本次试验组数较少,所得试验点稀疏,从试验曲线上仅能够得出糙率n、弗汝德数Fr和壁面绝对粗糙度Δ的初步规律,如果要获得三者间数值化关系,更准确选取糙率系数,就需要获得三个阶段准确分界点值,这就需要增加试验组数,加大试验点的密度。 这将是今后进一步研究的工作。 参考文献(References): [1]邱秀云.水力学[M].乌鲁木齐: 新疆电子出版社,2008.(QIUXiuyun.Hydraulics[M].Urumqi: XinjiangElectronicPress,2008.(inChinese)) [2]张小琴,包为民,梁文清.河道糙率问题研究进展[J].水力发电.2008,34(6): 98100.(ZHANGXiaoqin,BAOWeimin,LIWenqing.etal.Recentstudiesandprogressoftheriverroughness[J].WaterPower,2008.34.(6): 98100.(inChinese)) [3]吕宏兴,路泽生,栾维功,等.引洮供水一期工程总干渠糙率原型观测: 糙率原型观测结果及经济效益[J].长江科学院院报,2010,27( (2): 3741.(LVHongxing,LUZesheng,LUANWeigong,etal.PrototypeobservationresearchonroughnessofmainchannelofTaoheRiverWaterTransferFirstphaseProject: resultandeconomicbenefitofprototypeobservation[J].JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute,2010,27 (2): 3741.(inChinese)) [4]姜淑坤,付艳红.河道糙率问题的探讨[J].吉林水利,2005(3): 2526.(JIANGShunkong,FUYanhong.Discussionontheproblemofroughnessofriver[J].JilinWaterConservancyProject,2005(3): 2526.(inChinese)) [5]曾祥,黄国兵,段文刚.混凝土渠道糖率调研综述[J].长江科学院院报.1999,16(6): 14.(ZENGXiang,HUANGGuobing,DUANWengang.Summarizationofinvestigationonroughnessofconcretechannels[J].JournalofYangtzeRiverScientificResearchlnstitute.1999.16(6): 14.(inChinese)) [6]BH利亚平.加大河床底部糙率的水利计算[J].水利水电快报,1995(11): 0406.(B.Hleahflat.Hydrauliccalculationatthebottomoftheriverbedroughness[J].WaterConservancyandHydropowerletters,1995(11): 0406.(inChinese)) [7]何建京,王惠民,粗糙床面明渠水力特性研究[J].水利水运工程学报,2004(9): 1922(HEJianjing,WANGHuimin.Researchonroughbedopenchannelhydrauliccharacteristics[J].JournalofSedimentResearch,2004(9): 1922.(inChinese)) [8]李榕.关于影响曼宁粗糙系数n值的水力因素探讨[J].水利学报,1989,19(12): 6266.(LIRong.Aboutthefactorsinfluencingthemanningroughnesscoefficientnvalueofhydraulic[J].JournalofHydraulicEngineering,1989,19(12): 6266.(inChinese)) [9]GriffithsGA.Flowresistanceincoarsegravelbedrivers[J].JournaloftheHydraulicsDivision,198HY7,899918.[ZK)] [10][ZK(#]罗肇森,孙梅秀.河工模型中几种人工糙率的计算[J].水利水运科学研究,1981 (2): 7082.(LUOZhaosen,SUNMeixiu.Thephysicalmodelofseveralkindsofartificialroughnesscalculation[J].JournalofSedimentResearch,1981 (2): 7082.(inChinese)) [11]MAsim,王龙,郑钧,等.明渠试验加糙方法研究[J].水利水电技术.2008,39. (2): 6770.(MAsim,WANGLong,ZHENGJun,etal.Researchonopenchanneltestroughening.[J].WaterresourcesandHydropowerEngineering.2008.39. (2): 6770.(inChinese)) [12]张小琴,包为民,梁文清,等.河道糙率问题研究进展[J].水力发电,2008,34(6): 98100. (ZHANGXiaoqin,BAOWeimin,LIANGWenqing,etal.Recentstudiesandprogressesoftheriverroughness[J].WaterPower,2008,34(6): 98100.(inChinese)) [13]王开,魏加华,王光谦.大型渠道糙率系数设计取值的不确定性及影响分析[J].应用基础与工程科学学报,2008,12(6): 870878.(WANGKai,WEIJiahua,WANGGuangqian.Uncertaintyindesignvalueofroughnesscoefficientforlargescalechannelandeffectsanalysis[J].JournalofBasicScienceandEngineering.2008,12(6): 870878(inChinese)) [14]张靖,拾兵,薛旖云.糙率变化对明渠水深影响的探讨[J].人民黄河,2012,34(9): 121123.(ZHANGJing,SHIBing,XUEYiyun.Discussionsoninfluenceofroughnessvariationtotheopenchannelflows[J].YelloeRiver.2012,34(9): 121123.(inChinese)) [15]徐慧敏.关于水利工程中河道糙率的研究[J].水利科技与经济,2010,16(11): 12531256.(XUHuimin.Researchonroughnessofriverinwaterconservancyprojects.[J].WaterConservancyScienceandTechnologyandEconomy.2010,16(11): 12531256.(inChinese)) [16]何建京,王惠民.粗糙床面明渠水力特性研究[J].水利水运工程学报,2004(9): 1922(HEJianjing,WANGHuimin.Researchonroughbedopenchannelhydrauliccharacteristics[J].JournalofSedimentResearch,2004(9): 1922.(inChinese)) [17]董槐三,潘永贤,陈耀忠.几种衬砌渠道糙率的原型观测[J].水力发电,1981(12): 3943.(DONGHuaisan,PANYongxian,CHENYaozhong.TheprototypeobservationofseveralliningChannelRoughness[J].WaterPower,1981(12): 3943.(inChinese)) [18]杨岑,路泽生,栾维功,等.矩形渠道人工加糙壁面阻力规律试验研究[J].长江科学院院报.20128 (1): 3438.(YANGCen,LUZesheng,LUANWeigong,etal.Experimentalstudyonfrictionlawofartificialroughwallrectanglechannel[J].JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute,20128 (1): 3438.(inChinese)) [19]赵锦程.人工渠道糙率影响因素的试验研究[D].乌鲁木齐: 新疆农业大学,2013.(ZHAOJincheng,Experimentalstudyoneffectfactorsoftheartificialchannelroughness[D].Urumqi: XinjiangAgriculturalUniversity.2013.(inChinese)) [20]南京水利科学研究所,水利水电科学研究院.水工模型试验[M].北京: 水利电力出版社.1959.(NanjingWaterConservancyScienceResearchInstitute,WaterConservancyandHydroelectricPowerResearchInstitute.HydraulicModelTest[M].Beijing: HydraulicandElectricPowerPress.1959.(inChinese))
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