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泥沙研究
2014年10月
Journal of Sediment Research
第5期
双向环形水槽流速分布规律试验研究
王捷,周晶晶,张长宽
(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098
摘要:环形水槽以其能满足细颗粒泥沙沉降所需的距离要求、无流入口和流出口的影响已被广泛使用在细颗
粒泥沙运动规律的研究中。为最大程度地削弱横向流,采用环形槽、剪力环同时反向旋转,拟合出剪力环和环
形槽的最佳转速比曲线,并在清水率定的过程中采用旋浆式流速仪测量不同水深、多级转速下环形水槽的分
层流速。试验数据表明环形水槽中线处垂线流速分布呈S型,流速在边界处有较大的梯度,在流场中心区域
分布较均匀,可用三次函数进行拟合。流速沿槽宽呈线性分布,由外壁向内壁递减,使得各断面流速分布相
同,可以模拟无限长直水槽。
关键词:环形水槽;流速分布;细颗粒泥沙;转速比;二次流
中图分类号:TV131.65
文就标识码:A
文章编号:0468-155X(2014)050032-06
流速分布规律是研究水流泥沙运动的基础。水流的内部结构、能量传递过程及阻力特性等各种动
力要素均与流速分布相关或以流速分布体现。国内外进行的探求流速分布规律的水槽试验研究大
多针对直水槽,对环形水樽的硏究及规律揭示相对较少。环形水槽作为研究细颗粒泥沙运动特性与污
染物传播规律的较理想设备,现已越来越多地被使用在海岸河口泥沙的水力特性试验中],特别是在
泥沙侵蚀、沉积、输运等方面。国内外对环形水槽的研究主要集中于将其视为一种有效手段,进行水沙
运动规律的基础理论研究或与实际工程项目结合,用以指导工程建设,而对于环形水槽内部水流结构的
研究也主要以数值模拟为主,同时结合实测资料。因此利用水槽实验的大量实测资料,系统地探求
环形水槽中的流速分布规律十分必要。本文主要讨论环形水槽中流速的分布规律,为利用环形水槽所
进行的泥沙试验研究中现象的解释提供流场理论基础。
双向环形水槽简介
黏性细颗粒泥沙沉降速度很小,其沉积达到平衡常常需要数小时,直槽因占地面积的限制而无法满
足细颗粒泥沙沉降所需的距离要求,环形水槽则可把直槽的纵向长度尺度转换为时间尺度,即通过延长
实验时间达到稳定沉降的目的;双向环形水槽是在剪力环和环形槽的剪切力和惯性力下形成水流,不需
要设回水系统和消能设施,故不会产生直槽研究细颗粒泥沙絮凝问题时水泵搅动破坏絮团等问题,也能
避免泥沙损失及水库清淤工作。同时,环形水槽还具有结构简单、操作方便的特点,各种试验条件如水
深、水流速度、水体含盐度、含沙量等均可方便地进行调节。
环形水槽主要由环形槽、剪力环和传动系统三部分组成,如图1所示。当环形槽转动(剪力环不
动)时,由于相对运动,水槽内形成与环形槽运动方向相反的水流,断面上产生表层向内,底层向外的副
流,因此底部泥沙颗粒随主流方向沿环形槽外壁运动。当剪力环剪切水面转动(环形槽不动)时,水槽
收稿目期:2013-10-2
基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目(20110094120020)
作者简介:王捷(1990-),女,江苏盐城人,硕土研究生,主要从事河口海岸水动力及泥沙运动方向的研究。E-mail: wangji015@163.om
通讯作者:周晶晶。E-mail:j@hhu.edu,cn
内形成的水流方向与剪力环运动方向相同,断面上产生表
剪力环支撑
层向外,底层向内的副流,因此底部泥沙颗粒随主流方向
沿环形槽内壁运动。当环形槽和剪力环以一定转速比同
转轴
时反向转动时(形成的水流方向与剪力环运动方向一致,
与环形槽运动方向相反),两者产生的断面副流基本抵消,样(力环
外
环形水槽中部水流的横向力达到平衡状态。
环彩
因此环形水槽除了要形成水流之外,关键是要采取有
效措施,合理调节环形槽与剪力环的转速比,最大限度地
电动机
变速箱
削弱横向流,尽可能减小其对泥沙运动的影响。环形水槽
使用前,必须利用模型沙等示踪物进行率定,使其沿中线
图1环形水槽结构示意图
运动(将中线视为横向流基本消除的代表垂线),将横向流
Fig 1 Diagram of rotating annular flume
控制到很小状态,从而确定环形槽与剪力环的最佳转速
比。本文是在对环形水槽进行清水率定时,通过流速仪测量出两种水深、多级转速下水槽中线处的分层
流速,通过分析比较,探求其分布规律。
2试验概况
试验采用河海大学新建的D280环形水槽,该水槽尺寸为280cm(外径)×240cm(内径)x50cm(水
深),用无色透明有机玻璃制造,沿外壁一周不同高度处都设有取样孔,同时配套了控制系统及数据采
集系统,能实现水槽运转时环形槽、剪力环的转速控制及剪力环位置的升降控制,无线遥测流速。
试验采用南京水利科学研究院研制的
NKY04-LL型旋浆式流速仪(光电式)测量流
10(25.
9(15.
6(13.8)
速。槽内水深可以由剪力环调节。剪力环与水
4(1.8)
面相切,其升降可实现实时人为控制。试验采用
20cm和30cm两种水深。每种水深下通过改变
1(1.8)2(6.53(1.5)
环形槽和剪力环转速构造出多组流场以分析流
速分布规律。其中环形槽底部中线处的线速度
图2环形水槽取样孔分布
(下文中简称环形槽转速)从4.9cm/s到
1
Position of sampling holes around the
88.2cm/s按一定倍数递增,共有12级流速梯
rotating annular flume
度。相对应的剪力环转速则是根据示踪沙在中
线位置处运动(消除横向流)而确定。每个流场下的测点是根据取样孔位置选择距离槽底不同的
高度,安装旋浆式流速仪测量其中线流速,取样孔分布见图2,为方便试验对取样孔进行编号1~
10,括号内数字为取样孔中心距离槽底的高度(cm)。每个测点的流速测量时间为400s左右。试
验水流保持恒定均匀紊流状态。为避免高速水流下旋浆飞速转动时扰动其他测点处的流场,每组
布置两个流速仪,并使其距离尽量远,防止互相影响。
3试验结果与分析
3.1环形槽、剪力环转速比
本次试验采用模型沙进行清水率定,当其沿中线运动时,认为横向流被控制在很小的状态。根据试
验采用的20cm水深和30m水深时环形槽、剪力环的转动周期及其转速比可知,当环形槽转速一定时,
为消除横向流影响,30cm水深比20cm水深所需剪力环的转速更大。随着环形槽、剪力环转速的增大,
剪力环和环形槽的转速比整体上呈减小趋势。
每种水深下根据12组环形槽、剪力环的转动周期,拟合出其关系曲线(图3),呈线性相关,且
c
水深和30em水深下拟合的相关系数分别为0.97和0.989,当变化环形槽转速时,可利用该线性关系
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