矩形断面明渠流速分布的研究及应用

通过对矩形断面明渠流速分布的理论分析与试验研究，建立了明渠沿垂线流速的分布公式和沿横向流速的乘幂函数分布公式以及相关系数的确定方法。经不同水槽、渠道流速资料的验证，表明提出的明渠流速分布律与实际分布特点一致，测点流速相对误差比较小，可以很好满足明渠流量测量的精度要求。在此基础上提出了对明渠渠道进行流速、流量连续测量的计算方法，对简化明渠测流工作量、提高明渠测流精度具有实际应用价值。     

复式断面边界剪切应力分布规律研究

在复式断面明渠中，由于存在滩槽水流动量的交换，改变了边界剪切应力的分布规律，进而影响滩槽阻力和输水能力。本文利用作者实测的剪切应力分布资料，通过与矩形明渠边界剪切应力分布的对比，对手昨式断面边界剪切应力分布的特征进行了分析，建立了滩槽平均边界剪切应力与水深的关系，为复式断面水流结构及输水能力的研究打下了基础。     

明渠水流流速横向分布抛物线律及其应用

依据室内试验和田间实测资料,分析了明渠水流横向流速分布特点,建立了明渠水流横向流速分布抛物线律,给出了参数的确定方法,并结合明渠垂向流速双幂律提出了明渠测流方法。实测资料验证表明:用抛物线律表达明渠水流横向流速分布具有较高的精度,在(1-2x/Bi)>0.1范围内,除个别点外,计算流速相对误差小于5%;利用抛物线律及双幂律建立的明渠测流方法,精度较高,对不同形式及断面尺寸的渠道具有较强的适应性。     

梯形明渠边界平均剪切应力计算方法

梯形断面是渠道设计中广泛采用的一种断面形式,边界剪切应力分布规律是研究水流结构及阻力特性的重要因素。经过理论推导,建立了梯形明渠床面与边壁平均剪切应力相对值随过水断面宽深比的计算表达式,并与多家试验资料进行了比较,结果表明两者变化趋势基本一致。针对梯形明渠不同边坡角下的水力最优断面,分析了其床面、边壁平均剪切应力的变化规律,发现随着边坡角的减小,床面平均剪切应力相对值变化不大,而边壁平均剪切应力相对值呈现出减小的趋势。     

明渠含沙水流的垂线流速分布特性研究

 为了进一步研究明渠中含沙水流的垂线流速分布规律,在水槽系统中对明渠恒定均匀含沙水流进行了系列试验,利用实测流速资料,计算分析了时均流速的垂线分布。结果表明：在宽深比比较小的明渠中对最大流速点修正的对数公式可以很好地符合实测数据;水槽中心位置的卡门常数要比其边壁附近的小;卡门常数随着含沙量的增加而减小。通过对明渠含沙水流垂线流速分布特性的研究,增强了对明渠含沙水流垂线流速分布规律的认识。     

样本容量对明渠垂线流速分布对数公式拟合的影响

针对明渠垂线流速分布测量样本容量对对数公式拟合的影响问题,通过水槽试验,应用激光多普勒测速仪,在0.2倍水深内布设110个点进行垂线流速测量;按相对等距原则,从110个测量数据中共生成11组不同样本容量的流速系列进行统计分析。结果表明:试验测得的垂线流速分布符合对数公式;对数公式拟合所得的摩阻流速、积分常数及其统计变量相关系数和变差系数随样本容量大小的变化而变化,当样本容量逐渐变大时,渐渐趋于稳定,符合统计理论的大数定律;合理反映垂线流速分布变化的试验,其测点需要一定的样本容量;试验得到的垂线流速在间距分布比较均匀的条件下,0.2倍水深内所需样本容量为50左右。     

明渠断面流速分布的信息熵理论分析

本文介绍了应用信息熵理论研究明渠水力学问题的新概念，借助最大熵原理导得了非宽浅明渠断面流速分布的计算公式及其有关参数，计算结果与试验水槽中毕托管激光测速资料及现场测速资料吻合较好。     

明渠均匀流流速横向分布的涡黏性模型

为了研究明渠水流的运动特性,开展了明渠水流流速横向分布数学模型的研究。本文根据量纲分析方法和实验资料,得到水流横向剪切作用下横向涡黏性系数的关系式;基于均匀流的水流运动方程,按照有限差分方法,建立流速横向分布计算模型。该模型具有计算简单、快捷和精度较高的优点,且数值计算不受横向涡黏性系数的结构形式和断面形态的影响。采用明渠水流实验资料验证数学模型,数学模型计算的流速横向分布与实验资料较一致,具有较高的理论意义和应用价值。     

明渠均匀流的摩阻流速及流速分布

在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法（雷诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等）的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：（1）利用阻力平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；（2）包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的Karman常数；（3）现有大量明渠均匀流实测资料中，用常用的Karman常数（x=0．4）时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。     

论矩形明渠流边界切应力分布规律

本文提出了流体内部任一微小水体所含机械能总是沿到边壁最短距离的方向向边界传递，并通过粘性作用而予耗散的假定。依此假定本文导出了能适合各种宽深比的矩形明渠边界切应力分布公式，同时还给出了矩形明渠流边壁、底壁糙率不同时的边界切应力分布公式，所得公式与实验资料较为相符。     

Prediction of boundary shear stress distribution in straight open channels using velocity distribution

Conventional methods for measuring local shear stress on the wetted perimeter of open channels are related to the measurement of the very low velocity close to the boundary.Measuring near-zero velocity values with high fluctuations has always been a difficult task for fluid flow near solid boundaries.To solve the observation problems,a new model was developed to estimate the distribution of boundary shear stress from the velocity distribution in open channels with different cross-sectional shapes.To estimate the shear stress at a point on the wetted perimeter by the model,the velocity must be measured at a point with a known normal distance to the boundary.The experimental work of some other researchers on channels with various cross-sectional shapes,including rectangular,trapezoidal,partially full circular,and compound shapes,was used to evaluate the performance of the proposed model.Optimized exponent coefficients for the model were found using the multivariate Newton method with the minimum of the mean absolute percentage error(MAPE) between the model and experimental data as the objective function.Subsequently,the calculated shear stress distributions along the wetted perimeter were compared with the experimental data.The most important advantage of the proposed model is its inherent simplicity.The mean MAPE value for the seven selected cross-sections was 6.9%.The best results were found in the cross-sections with less discontinuity of the wetted perimeter,including the compound,trapezoidal,and partially full circular pipes.In contrast,for the rectangular cross-section with an angle between the bed and walls of 90°,MAPE increased due to the large discontinuities.     

论河渠边界和水流阻力的计算

本文分析了水力半径分割法的合理性及存在问题，提出了符合实质的分割原则，导出边界切应力分布公式和三维流速的分布及阻力公式，分析表明：影响边界阻力等因素有断面形状参数，糙率分布及水流运动强度，研究中包含了这些影响因素，所得公式适应性强，并经试验资料验证。     

含植物明渠紊流流速分布无量纲化方法及流动分区

基于流速分布曲线的几何特点,提出一种新的无量纲化方法,结合水槽实验数据的回归分析,对含植物明渠紊流流速分布律及流动分区进行了研究。基于流速梯度变化率的特点,确定两个特征高度,采用特征高度、特征高度位置处的流速、水深、最大流速4个变量定义了新的无量纲流速和高度,对实验得到的流速数据进行无量纲化处理,进一步拟合得到流速分布律。结果表明,提出的无量纲流速在自由水面附近呈对数分布,对数分布律区域以下到床面的区域可用4段函数表示。根据分布律适用的区域明确流动分区边界,发现边界高度与特征高度并不重合,但和混合层的上下边界近似相等。与其他研究的对比表明,提出的无量纲化方法和流速分段函数分布律以及流动分区对速度描述有效,具有较好的适用性。     

掺气挟沙对高速水流边界剪切力特性影响的分析

在高速水流循环系统中，用自行研制的剪切力传感器分别量测了清水、掺气水流及挟沙水流壁面上的剪切力；实验表明，含沙掺气高速水流壁面剪切力的脉动值的概率密度函数分布基本符合正态分布规律；文中根据实测资料，分析了剪切力的时均值和脉动值与水流速度的关系；讨论了掺气及含沙量对壁面边界剪切力的影响；在同一流速下，剪切力的时均值及脉动值随着含沙量的增加而略有增加，随着掺气浓度的增加而降低。     

植物对明渠流速分布影响的试验研究

采用圆柱铝棒模拟刚性植物进行水槽试验,利用激光流速仪LDV对含非淹没、淹没植物明渠流场进行了测量,对模拟植物淹没度、密度对流速分布的影响进行了研究.分析表明,植物非淹没条件下的平均流速可以表示为流量、渠宽、水深和植物密度的函数;植物淹没条件下,很难用统一的函数描述平均流速沿水深的分布,植物层上部和内部与顶部处的流速偏离有随淹没度、密度的增大而增大的规律,相同宽深比条件下,含淹没植物明渠和无植物明渠相比,最大流速位置前者高于后者,植物“抬高床面”或是减小了有效宽深比的作用.     

明渠渠底糙率突变对紊流摩阻流速及壁面切应力影响的试验分析

通过激光测速仪,对壁面糙率突变时的明渠紊流进行试验,测量了糙率突变不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速和脉动流速。通过实测资料分析不同糙率突变和不同水深的紊流摩阻流速变化情况和水流的壁面切应力的特点。     

适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好.当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式.应用所得公式,比较了明...