环境工程毕业论文 .doc
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1、毕 业 论 文题 目: 弯道水流的特性研究 学院(直属系): 环境工程学院 年级、 专业: 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 完 成 时 间: 目 录摘要31前言32概述43.水流概念54缓流弯道水流的特性64.1弯道水面横比降及超高74.1.2水面横比降公式比较84.2断面环流114.2.1断面环流成因114.2.2弯道环流的公式推导124.2.3环流强度及其分布164.3弯道中纵向流速的分布165.急流弯道水流的特性185.1急流冲击波185.2急流弯道超高大小和超高位置的研究216.本人对弯道水流特性的总结及公式推导236.1缓流弯道公式236.2急流弯道公式257 弯道对工
2、程的影响257.1缓流弯道对工程的影响257.2急流弯道对工程的影响268 结论26总结与体会26谢 辞27参考文献.27 摘要天然河道中,并非每一条河流都呈直线,而是曲曲折折,存在着许多弯道,水在流动的时候受边界条件影响很大,弯道水流是工程实际中经常碰到的一种水流形式。由于弯道特有的几何特征和几何条件,其水流特性与顺直河道有显著的不同。弯道中水流流态比较复杂,按其流态可以分为弯道缓流运动和弯道急流运动本文主要研究了弯道缓流的水流横向比降,断面环流,水流流速分布,水流水面线等,研究了弯道急流的冲击波,超高等。弯道水流的特性研究对江河治理、航运等方面的科学研究与设计有重要意义,因此,我们应对其进
3、行充分研究,为实际工程提供强有力的科学依据。关键词:弯道;横向比降;断面环流;流速;冲击波;超高;前言弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象,弯道水流的运动机理和研究成果已在水利枢纽布置,河道、航道整治,取、排水口选址以及码头、港口建设等领域得到了广泛的应用,因此,无论从除害还是兴利的角度,都需要对弯道水流的特性进行充分研究。本文分别对弯道缓流和弯道急流进行了阐述,较为系统地归纳了弯道水流的特性。研究弯道水流特性的目的:了解弯道水流的运动规律,为目前工程使用提供参考,为研究提供借鉴,给学习者提供信息等等。研究弯道水流特性的意义:人工渠道或天然河道一般都有弯道存在。当水流通过弯道时,水流在
4、弯道中作曲线运动,水质点除受重力作用,还要受到离心力的作用,水流为了平衡这个力而使得凹岸方向的水面增高,凸岸方向的水面降低,形成横向水面比降,水力要素在同一横断面上的分布差异很大造成弯道水流流态紊乱。这种水力现象使得弯道外侧边坡加高而增加了工程量:流态紊乱使得消能防冲困难而威胁工程安全。在泄水工程布置时,急流弯道中水流的流态十分复杂,若处理不好,将对下游泄槽流态及消能设施均产生很大的影响,对工程安全带来严重威胁。因此,研究弯道水流的特性对我们的工程具有重要意义。2概述弯曲河段对国民经济各部门都有着较大的影响,历来受到人们的重视。特别是随着对研究深度与广度越来越高的要求,采用物理模型和数学模型,
5、开展河弯水流运动和河床变形方面的模拟,往往是常有的事情,也是很有效的。模型试验与数值计算相结合,各取所长,相互印证,是研究弯道河流特性的主要手段。河湾是平原河流中最普遍、最典型的大地貌形态。我国海河流域的南运河,淮河流域的汝河下游和沙河、颖河下游,黄河流域的渭河下游,长江流域的汉江下游以及有“九曲回肠”之称的长江荆江河段等,都是典型的弯曲型河段(如下图)图 弯曲型河段是冲积河流中最常见的一种河型,在世界分布很广,对防洪、航运等有重要的影响。由于河道水流与河道的形成之间存在着密切关系,河流演变特征与弯道水流特性当有必然联系。所以对弯道水流运动规律的研究,在水利工程学的许多领域中,占有重要的位置。
6、例如,在河流治理、港口兴建、引水防沙、桥墩防冲以及改善河道航运等方面都得到了广泛的应用。由于弯道水流运动比较复杂,它不仅具有普通直道水流特性,而且水面不平衡,在横向有环流,如果是急流,还会引发冲击波等。自1876年J.Thompson在实验中发现了弯道水流同时存在着纵向和横向流动以来,很多学者致力于这一问题的研究。弯道水流分为缓流和急流,本论文主要阐述了弯道水流的超高、流速分布、水面线及冲击波等特性,对其进行了总结、归纳和推导,以便工程运用。3水流的分类水流流经弯道时作曲线运动,水面形态和水流结构发生调整和变化,形成弯道水流特有的运动特性,而水流按其性质可分为缓流和急流。缓流,明渠流受障碍物干
7、扰与水流受到扰动所产生的干扰,在性质上是一致的。若水流的流速较小,小于扰动产生的波速,则干扰波就只能向上游传播,无法向下游传播,这种水流就是缓流。在弯道水流中也是经常可见的。急流,明渠流受障碍物干扰与水流受到扰动所产生的干扰,在性质上是一致的,若水流的流速较大,大于扰动产生的波速,则干扰波就只能向下游传播,无法向上游传播,这种水流就是急流。在弯道水流中是经常可见的。本文将分别对缓流弯道和急流弯道的水流特性进行阐述。4缓流弯道水流的特性弯道水流运动与河床变形是河流动力学研究的主要问题之一。弯道水流特性必决定弯道泥沙运动和河床演变的基本规律。当水流从直段进入弯段后,由于水流做曲线运动后产生离心力,
8、使凹岸水面高于凸岸水面,形成横比降下的环流,它与河道的纵向水流汇合成为螺旋流,是一种复杂的三维紊流。弯道水流运动形态如图1-1多年来,大量学者从各个方面对弯道特有的水流运动、河床演变规律进行了广泛的研究,说明其具有重要的理论意义和使用价值,同时也说明这种三维流体运动的难度和复杂性。研究弯道水流运动规律与研究河床演变、河道整治、河岸防护等许多问题有着极其密切的关系。4.1弯道水面横比降及超高4.1.1 横向水面超高图解在离心力的作用下,弯道水流形成凹岸水面高于凸岸水面的横向水面比降。凹岸和凸岸的水位差,称为横向水面超高,用h表示,如图4.1所示。h的计算公式为: (4-1)式中 a0校正系数,取
9、1.011.1; 断面平均流速; 弯道轴线的曲率半径; B水面宽度。可以看出来,弯道曲率半径越小,则横向水面超高越大;弯道曲率半径越大,则横向水面超高越小。 图4.1 横向水面超高4.1.2水面横比降公式比较当水流进人弯曲河段时,由于离心力的作用,使得凹岸水位抬高,凸岸水位降低,从而造成了水面横比降。水面横比降的最大值发生在弯道的中部(弯顶以下) ,并向下逐渐减小,一直延续到弯道出口以下;水面最低点位于弯道进口偏下的凸岸处,水面最高点位于弯顶以下的凹岸处,且其部位随着水流弗氏数的增加而向上游移动(1)罗索夫斯基(Romvskii IL)公式在工程应用中,罗索夫斯基引入对数流速分布公式得到水面横
10、比降公式: (4-2)式中:Jr水面横比降;纵向垂线平均流速;0流速垂线分布不均匀系数;0河底横向阻力; r某点距曲率中心半径;水的密度;g重力加速度。张红武引入流速分布公式,并引入谢才公式,得到下列水面横比降公式: (4-3) 式中:C谢才系数。实践检验表明,罗索夫斯基公式在粗糙床面情况下,横比降略偏小;而张红武公式无论床面粗糙或光滑,横比降计算值与实测值的偏差均较小。孙东坡等采用结构简单、没有近壁区缺陷的指数型纵向流速分布公式,得到如下横比降公式: (4-4)式中:n与雷诺数和相对粗糙度有关的常数,大量实测资料表明,天然河道取n=7与实测值比较一致。刘焕芳通过试验研究得出了整个弯道上水面横
11、比降的分布公式: (4-5)式中:所求断面与弯道进口断面的夹角;0弯道中心角。其他字母含义同式(4-2)张海燕计算水面横比降或水面超高时,略去床面引起的横向力,通过作用于深度为D的水柱上压力与离心力的平衡得到横比降公式如下: (4-6)式中: Cr校正系数。假定Cr=1,从而得到凹岸与凸岸之间的水面超高h的近似表达式为h= (4-7)式中: B水面宽度;尽管计算水面横比降的公式各异,但对于弯道水面最大横向超高的计算,不同的学者用不同的分析方法都得到了式(4-7)的形式。如沈波等在建立河湾冲刷最大水深的计算式时,对河湾水面横向超高进行了计算。其采用河湾输沙平衡时断面平均冲止流速近似代替,得到最大
12、横向超高计算式:h= (4-8) 式中:河湾输沙平衡时断面平均冲止流速。毛佩郁等认为式(4-7)与直接由离心力所产生的水面横比降简单关系进行积分所得的常见水面超高公式h=ln比较,结果甚为相近,而且水面沿河宽呈对数变化曲线也较接近试验资料。考虑到流速分布的不均匀性,当取为断面平均流速时,则可加修正系数1.1左右,即:h=1.1ln (4-9)式中:h是以河心半径r0处为起点计算任意半径r处的高差。当把r0换成凸岸r1, r换成凹岸r2,则可得到凹凸岸最大水面高差h。但张玉萍认为弯道横向水面凹岸升高除受离心力升高外,还因弯段前直段水流的惯性作用顶冲凹岸时,有部分动能转化为势能而使凹岸水面升高一定
13、数值。顶冲水流的横向分速Vcos的部分动能转变为势能使水位升高值为:h2=(cos)2/2g (4-10)式中:进口直段轴线与弯段凹岸交点之法线的交角;r0/及边坡系数有关的系数,可近似地取值为1。由此得到弯道横断面最大超高值为:h= ln+ (4-11)名称公式优缺点罗索夫斯基有代表性在粗糙情况下公式所得值略有偏小张红武无论粗糙或光滑床面,张红武公式均出现较实测资料略微偏大和偏小的正常情况。孙东坡采用结构简单、没有近壁区缺陷的指数型纵向流速分布公式刘焕芳通过试验研究得出张海燕略去床面引起的横向力,通过作用于深度为D的水柱上压力与离心力的平衡得到表 4.1 水面横比降公式比较4.2断面环流4.
14、2.1断面环流成因弯道水流在横断面上形成凹岸水面高,凸岸水面低的环形流动,现分析断面环流的成因。图4.2表示一矩形弯道,在断面上任取一微元柱体,对其进行受力分析。作用在柱体上的横向力有离心力和动水压力。离心力的大小与纵向流速的平方成正比,沿垂线呈抛物线分布,如图2.2a所示。柱体两侧动水压强分布见图2.2b所示,其压强差分布见图2.2c所示。离心力和压强差分布叠加后的图形即为作用于柱体的横向合力沿垂线的分布图,见图2.2d所示。横向合力的作用,加之水流运动的连续性,形成了断面环流。 图4.2 断面环流的成因4.2.2弯道环流的公式推导弯道水流是三维流,水流在垂线方向存在横向压力梯度,水面横比降
15、引起弯道断面横向压力差,这种压力差沿垂线分布是均匀性的。但是由于流速沿垂线的不均匀分布引起离心加速度沿垂线的差异,因此导致了弯道断面横向环流的出现。因为表层水流的速度大于底层水流的速度,这样就使得弯道环流表现为表层水流向凹岸运动,底层水流向凸岸运动,靠近弯道两岸处形成平衡性流速分量,该分量的方向在凸岸向上、凹岸向下。古今中外已有不少学者对弯道环流的特点进行了研究。罗索夫斯基原先关于横向流动发展的分析,局限于前部或后部与直段连接的单弯道。张海燕把罗索夫斯基的研究扩展到曲率沿流向改变的河道。提供了分析横向流速产生和消失的基础。流动发展的机理可用每一项的物理意义来描述。横向流速的空间变化(项)与离心
16、加速度(项)、横向水面比降(项)和紊动切力(项)有关的相互作用相关。 u= -gSr+ (4-12)当、诸项之和为正时,即当向心力超过由于横向水面比降和水流的摩阻而产生的阻力之和时,横向环流增长。反之,横向环流衰减。当诸项之和为0时,处于平衡状态。在充分发展的流动中,这种状态有3种情况可以出现,即在当为常数,或在接近弯顶处为极大值,或在过渡区附近为极小值时。增长和衰减可一般化,以便包括相反方向的环流。如果初始环流与河道弯曲方向相反,即为负值,则这些因素对环流的影响正好相反。M.R.Pirestan等通过对U型弯道流速变化的物理模型试验研究得出弗汝德数的大小直接影响环流的强度变化。当弗汝德数增加
17、时,环流强度减小;而当弗汝德数减小时,环流强度增大。AkihiroTominaga等研究了河床断面形状对环流结构的影响。梯形河槽中,随着边坡坡度的变缓凹岸处反向次生环流变弱,因此,向凹岸输送的动量增加横向环流强度加大。复式断面河槽中,可将环流划分为主槽区和河漫滩区。随着河漫滩宽度的增加,河漫滩上的环流变得明显,但主槽区的环流变弱。对于环流强度定量的研究,采用不同形式的纵向流速分布公式,所得环流流速分布公式也不同。张红武对一些较有代表性的公式又进行了资料验证和评述,现分类介绍如下:波达波夫在20世纪30年代,利用NS方程得到了二元水流的运动方程式,采用抛物线型纵向流速分布公式,导出了环流流速的垂
18、线分布公式: (4-13)式中:曲率半径为r处相对水深为时对应点的横向流速;相对水深;水面速度;运动粘滞系数;m巴森系数,介于2225之间。张红武认为,波达波夫公式仅适用层流或瞬时紊流的NS方程,似不宜导出时均紊流的环流公式。1948年马卡维耶夫借助于椭圆型流速分布公式,导出了环流流速沿水深分布的计算公式: (4-14)式中: t=1-;M与谢才系数有关的经验系数; = (4-15)马卡维耶夫公式的主要缺陷是结构过于复杂,而且推演过程中取紊流动力粘滞系数为常量的作法也显粗糙。1950年罗索夫斯基基于纵向流速对数分布规律,求出了环流流速的垂线分布公式: (4-16)式中和是相对水深的函数。为卡门
19、常数。由于对数分布公式不适用于近壁流区,故在河底附近,罗索夫斯基公式难与实际相符。宋志尧分析了罗索夫斯基弯道环流公式推导中存在的问题,即: (1)作为主流的纵向流速公式(如对数公式)在近床面处的流速为0,而作为副流的环流流速公式在底床处的流速却不为0,两者不一致。(2)在公式推导中,需要预先得到关于水面横比降的理论表达式,对同一弯道环流现象的科学表达,两个相关公式的推导不同步。他采用底床不可滑动条件,并将水面横比降视为变量,得到了统一的罗索夫斯基弯道环流公式: (4-7)通过他的试验验证,上式不仅与实际值最为符合,而且不受床面粗糙度的限制,横向环流流速值在粗糙床面附近能相应减小,是计算弯道环流
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