光滑床面明渠非均匀流流速结构的PIV试验研究

论文摘要

流速结构是影响明渠河床阻力、泥沙输移的重要因素,目前有关非均匀流流速结构的成果还较少,亟需展开分析。本文基于光滑床面明渠非均匀流PIV水槽试验资料,分析了纵剖面内时均流速、紊动特性、相干结构等流速结构沿垂线的分布规律,探讨了流速结构沿槽宽的变化特征,研究了来流条件对流速结构的影响趋势,研究成果如下:(1)非均匀流时均流速沿水深可分为近壁区、对数区和近水面区3个特征区域。近壁区主要为对数型分布,较少为线性分布;中间区域呈对数型分布;近水面区域沿槽宽主要呈现4种分布形式,尾流函数不能全部适用,需结合线性分布。垂线平均流速能有效体现垂线流速特征,以其代替摩阻流速构建对数型分布公式不仅避免了非均匀流雷诺应力波动相对大、存在线性分布范围较小的缺陷,且公式拟合系数能更敏感反映流速增长速率,对数项系数与常数项系数存在明显的线性负增长关系。(2)非均匀流紊动特性统计值沿流程仍保持条带状分布,但沿水深分布的波动性大于均匀流,剖面流速增大或底坡增陡都易造成沿程条带结构的破坏。非均匀流相对紊动强度沿相对水深不再聚集在同一光滑曲线上,垂向紊动强度沿程有减弱趋势。受边壁影响增强时,水面附近纵垂向相对紊动强度有增大趋势;且水面附近雷诺应力和紊动能分布线逐渐向右弯曲,呈现增大趋势。雷诺应力在靠近边壁处沿水深分布为“S”形。紊动特性沿槽宽的变化趋势与垂线最大流速位置的位置相关,在距边壁约为1倍水深时开始明显受边壁束缚的影响。(3)非均匀流条带结构分布在整个水深范围,尺度变化区间较大,多为嵌套状,内部脉动流速大于外部。剖面流速下降,猝发事件概率下降,底坡增大时猝发事件概率提升。边壁影响作用的加强会导致水面附近Q1、Q3事件概率的减小,Q2、Q4事件概率的增大。猝发事件发生概率沿槽宽先增大后减小,相对雷诺应力、紊动能等则是先减小后增大。(4)非均匀流横向涡主要发生于近床面处,各涡量值的横向涡沿水深变化差异较大。剖面流速增大时,顺向涡及逆向涡密度有减小趋势,反之增大。涡量值大于0.8的涡结构沿水深分布受边壁束缚影响较小;涡量值小于0.6的涡结构在水面附近有增多趋势,且随边壁影响的增强,逆向涡数量增量愈多于顺向涡数量增量。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 明渠时均流速研究现状
•     1.2.2 明渠紊动特性及相干结构结构研究现状
•     1.2.3 PIV技术研究现状
•   1.3 本文工作及章节安排
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术线路
•     1.3.3 章节安排
• 第二章 明渠非均匀流PIV水槽试验
•   2.1 试验装置
•     2.1.1 水槽装置系统
•     2.1.2 PIV测速系统
•   2.2 试验工况参数
•   2.3 试验流程控制
•   2.4 PIV算法原理
•   2.5 本章小结
• 第三章 非均匀流时均流速分布规律
•   3.1 非均匀流流速分布公式
•     3.1.1 均匀流典型公式及其分析
•     3.1.2 非均匀流公式参数调整
•   3.2 垂线流速分区
•     3.2.1 近壁区分布规律
•     3.2.2 对数区分布规律
•     3.2.3 近水面区分布规律
•   3.3 时均流速分布规律
•     3.3.1 流流速分布沿流程变化规律
•     3.3.2 流速分布沿槽宽变化规律
•     3.3.3 流速分布统一规律
•   3.4 本章小结
• 第四章 非均匀流紊动特性规律
•   4.1 紊动强度分布规律
•     4.1.1 紊动强度受来流条件影响
•     4.1.2 紊动强度沿槽宽分布变化
•   4.2 雷诺应力分布规律
•     4.2.1 雷诺应力受来流条件影响
•     4.2.2 雷诺应力沿槽宽分布变化
•     4.2.3 雷诺应力象限分布变化
•   4.3 紊动能分布规律
•     4.3.1 紊动能受来流条件影响
•     4.3.2 紊动能沿槽宽分布变化
•     4.3.3 紊动能象限分布变化
•   4.4 本章小结
• 第五章 非均匀流相干结构分布规律
•   5.1 条带结构分布规律
•   5.2 Q事件分布规律
•     5.2.1 Q事件受来流条件影响
•     5.2.2 Q事件沿槽宽分布变化
•     5.2.3 Q事件象限分布变化
•   5.3 涡结构分布规律
•     5.3.1 涡量沿垂线分布规律
•     5.3.2 涡密度沿垂线分布规律
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间论文及科研情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王振志

导师: 钟亮

关键词: 明渠非均匀流,水槽试验,时均流速,紊动特性,相干结构

来源: 重庆交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 重庆交通大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(编号:51509026):非均匀加糙床面复杂精细结构的分形量化及其致阻机理研究

分类号: TV133

DOI: 10.27671/d.cnki.gcjtc.2019.000704

总页数: 108

文件大小: 14431K

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