河海大学港口航道工程综合试验水流流速场试验.docx
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河海大学港口航道工程综合试验水流流速场试验
试验一水流流速场试验
1实验目的与要求
水流是泥沙运动的主要动力，在与河床、建筑物之间的相互作用中起到决定性的因素。
掌握和了解水流结构及其运动变化规律，是研究和分析河床变形、建筑物相互作用的基础。
2实验内容
1.测量和研究水槽顺直段、弯曲段两侧水位沿程变化规律。
2.测量和研究水槽顺直段、弯曲段水流流速沿程、沿水深的变化规律。
3.计算各垂线平均流速，推求和研究垂线平均流速沿程、沿宽度的分布规律。
3实验原理
如图所示，在顺直水槽与弯曲水槽各设置3个测流断面，每个测流断面设置3条测流垂线，测量并记录每条垂线处的水位。
每条垂线沿水深测量和记录相对水深为0.2h、0.4h、0.5h、0.6h和0.8h处的流速。
根据测量记录的数据分析顺直水槽段与弯曲水槽段水位沿程、沿水槽宽度的分布规律以及水流流速沿程、沿水槽宽度、沿水深的分布规律。
4实验步骤
1.阅读和掌握实验目的、实验要求以及实验内容。
2.熟悉和掌握精密水位仪的使用原理与操作方法。
3.熟悉和掌握旋浆式流速仪的使用原理与操作方法。
4.开启水泵，调节水槽尾门，保持沿程水流恒定状态，并观测、记录水位。
5.分别在顺直、弯曲段设置断面，沿宽度设置3个测流垂线，沿各水深测量。
6.整理并分析有关数据，绘制顺直、弯曲段水位、流速分布规律图。
5实验数据记录
表1水位流速测量记录表
截面
编号
位置（m）
水位（cm）
断面平均流速（cm/s）
各相对水深处测量流速（cm/s）
垂线平均流速（cm/s）
垂线
0.2h
0.4h
0.6h
0.8h
1
1.8
左岸
9.5
28.1
1
26.5
27.3
27.6
28.0
27.3
右岸
9.5
2
38.6
42.2
40.3
38.6
42.2
平均
9.5
3
22.3
25.6
26.7
29.0
25.6
2
3.6
左岸
9.4
28.4
1
26.3
26.4
27.3
26.2
26.4
右岸
9.4
2
33.3
35.9
36.6
35.1
35.9
平均
9.4
3
25.2
27.4
25.7
25.8
27.4
3
4.8
左岸
9.1
29.3
1
25.2
26.1
28.9
26.8
26.1
右岸
9.1
2
27.3
36.4
35.1
34.8
36.4
平均
9.1
3
20.5
27.3
25.6
28.5
27.3
4
6.0
左岸
9.0
29.3
1
26.2
27.7
29.1
26.9
27.7
右岸
9.2
2
28.8
31.3
34.0
32.7
31.3
平均
9.1
3
24.4
27.2
28.2
27.7
27.2
5
7.3
左岸
8.9
29.6
1
28.4
29.9
33.0
29.2
29.9
右岸
9.1
2
28.8
32.3
30.7
29.7
32.3
平均
9.0
3
25.6
28.2
29.2
28.7
28.2
6
9.6
左岸
8.5
30.3
1
28.2
33.1
35.4
30.4
33.1
右岸
9.1
2
29.4
30.3
30.3
27.3
30.3
平均
8.8
3
25.9
27.6
30.5
27.0
27.6
7
11.8
左岸
8.6
30.3
1
30.0
30.1
28.9
26.2
30.1
右岸
9.0
2
29.4
32.6
32.7
28.0
32.6
平均
8.8
3
28.5
29.1
29.5
28.3
29.1
注：
垂线1距左岸10cm左右，垂线2于中间，垂线3距右岸10cm左右
6实验数据处理
6.1水位沿程变化
根据表1中测量所得数据整理出水槽沿程各断面水位变化如表2，据表2绘出水位沿程变化图如下。
表2水位沿程变化表
测量位置
断面1
断面2
断面3
断面4
断面5
断面6
断面7
左岸（cm）
9.5
9.4
9.1
9.1
9.0
8.4
8.5
右岸（cm）
9.5
9.4
9.1
9.2
9.1
9.1
9.0
平均（cm）
9.5
9.4
9.1
9.0
8.9
8.5
8.6
距离（m）
1.8
3.6
4.8
6.0
7.3
9.6
11.8
6.2弯曲段水位横向比降
在水槽弯曲段由于离心力的作用，水面线将出现横向比降，统计得到水槽弯曲段三个断面处的水槽横向比降如表3所示。
表3弯曲段水槽横向比降统计表
截面编号
位置（m）
水位（cm）
水位差（cm）
水槽宽（m）
比降（‰）
5
7.3
左岸
8.9
0.2
1.2
1.67
右岸
9.1
6
9.6
左岸
8.5
0.6
1.2
5
右岸
9.1
7
11.8
左岸
8.6
0.4
1.2
3.3
右岸
9.0
6.3流速沿程变化
根据表1所测得水槽沿程各断面流速情况，得到各测杆所在位置出的流速沿程变化如表4，并据表4绘出各测杆垂线的平均流速沿程变化图。
表4流速沿程变化表
测杆位置
断面1
断面2
断面3
断面4
断面5
断面6
断面7
左岸平均
27.3
26.4
26.1
27.7
29.9
33.1
30.1
中间平均
42.2
35.9
36.4
31.3
32.3
30.3
32.6
右岸平均
25.6
27.4
27.3
27.2
28.2
27.6
29.1
断面平均
28.1
28.4
29.3
29.3
29.6
30.3
30.3
6.4流速沿水深分布
分析流速沿水深分布情况，分别取直线段断面4的三条垂线与弯曲段断面6的三条垂线分别作流速沿水深分布如表5，绘制流速沿水深分布图，作相应拟合。
表5流速沿垂线分布表
截面
编号
位置
（m）
水位（cm）
各相对水深处测量流速（cm/s）
垂线
0.2h
0.4h
0.6h
0.8h
4
6.0
9.0
1
26.2
27.7
29.1
26.9
9.1
2
28.8
31.3
34.0
32.7
9.2
3
24.4
27.2
28.2
27.7
6
9.6
8.5
1
28.2
33.1
35.4
30.4
8.8
2
29.4
30.3
30.3
27.3
9.1
3
25.9
27.6
30.5
27.0
7实验结果分析
7.1水位沿程变化
在水槽顺直段，水位沿程变化不大，且沿水槽宽度方向水位基本相等；进入水槽弯曲段，左右岸沿程水位均有所降低，且凸岸水位下降较多，沿程比降较大，这是由于弯道受到离心力的作用造成凹岸水位上升引起的。
7.2弯曲河段水位横向比降
由表3可知在弯曲河段水位分布规律为凹岸水位高于凸案水位，且在刚进入弯道时候横向比降较小，进入弯道后比降增大，比降与流速和弯曲半径有关。
7.3流速沿程变化
在顺直段流速沿程变化不大，且此时中轴线处平均流速大于两岸流速，两岸流速基本相等，这是由于左右岸受摩阻力影响造成的，水流动力轴线于中间位置；进入弯曲段，受弯道影响，凸岸垂线平均流速减小，凹岸垂线平均流速增加，水流动力轴线开始偏向凹岸。
7.4流速沿着水深分布
在顺直段，流速沿水深分布基本成指数型，流速从水面至水底逐渐减小，考虑到实验过程中在测量0.8h处水深时部分螺旋桨由于测量误差暴露于空气中，拟合时忽略最上部的流速点；在弯曲段，此时水流脉动加剧，且有横向环流，造成水流流速较不稳定，但也基本满足顺直段规律。
8思考题解析
1、弯曲水槽两侧水位是否相同，哪一侧水位会升高，为什么会有这种差别？
答：
弯曲段两侧水位不同，凹岸水位较高。
这是由于：
水流于弯曲段，将受到指向外法线的离心力作用，为平衡离心力，水流产生横向比降，凹岸水面增高，凸岸水面降低。
2、流速垂线分布呈什么变化规律，一般可拟合成几种流速垂向分布的经验公式？
答：
二元明渠水流中，层流流速垂线分布呈抛物线分布，紊流流速垂线分布一般可以拟合成对数流速分布和指数流速分布。
对数流速分布的一般公式为：
u=umax+（u0/k）ln（y/y0），指数流速公式的一般公式为u=umax（y/H）m。
3、流速垂向分布在顺直水槽段中轴线与两侧附近是否有差别，为什么？
答：
有差别，在中轴线与两侧附近沿水深分布规律大致相同，但水流在水槽两侧受到壁面摩阻力作用，流速大小相对较小。
4、流速垂向分布在弯曲水槽段中轴线与两侧附近有什么变化规律，为什么？
答：
弯曲段中，水流即有纵向；流动又有横向环流，呈螺旋式运动。
弯曲水槽段中轴线表面流速较大，水槽左岸中流速较大，水槽右岸底流速较大。
5、垂线平均流速平面分布在顺直水槽和弯曲水槽段有什么不同？
答：
在顺直水槽段，流速平面分布中，中间流速大，两岸流速较小，这是由于岸壁摩阻力引起的。
在弯曲段，但受弯道影响，凸岸垂线平均流速减小，凹岸垂线平均流速不断增加，水流动力轴线开始偏向凹岸。
6、实验条件下的水槽综合糙率系数n是多少?
答：
根据谢才公式和曼宁公式，可得水槽综合糙率系数：
n=h2/3J1/2/v，带入h=0.09mJ=0.01/（11.8-1.8）,v=0.3m/s,可得n=1.9×10-3
7、为什么在实验中反复强调保持水流恒定的重要性？
答：
因为如果水流不恒定，水流任意点流速随着时间变化，实验中并不能保证流速是同一时间测得的，这加大了试验的难度，为了使得试验数据的可靠性，故需保证水流的恒定。
试验二丁坝回流区试验
1实验目的和要求
丁坝是航道整治工程中最常用的建筑物，当水位低于丁坝坝顶高程时，水流受到丁坝雍阻，迫使水流流向河心，绕过坝头下泄，在坝下游形成回流区。
不同的丁坝布置形式，所形成的回流区范围不同，并直接影响到整治工程中丁坝间距的布置。
所以，丁坝回流区范围、回流区形态变化及其回流强度大小，是航道整治工程中需要密切关注和研究的问题。
2实验内容
观测和记录丁坝坝体在某一水流强度情况下的坝下游回流区流态和范围大小，同时测量回流区范围内的回流流速平面分布。
3实验原理
如图所示，将丁坝放置在顺直水槽中。
各个断面在水槽两侧和水槽中间设置3条测流垂线。
实验时测量并记录每条垂线处的水位以及每条垂线水深为0.4h、0.5h、0.6h和0.8h处的流速。
根据测量记录的数据分析掌握丁坝附近的水流特性，丁坝下游回流区流态和范围大小，回流区范围内的回流流速平面分布。
4实验步骤
1.阅读和掌握实验目的、实验要求以及实验内容。
2.熟悉和掌握精密水位仪的使用原理与操作方法。
3.熟悉和掌握旋浆式流速仪的使用原理与操作方法。
4.开启水泵，调节水槽尾门，保持沿程水流恒定状态。
5.放置丁坝，待水流稳定后，采用木砂示踪剂观测流线、回水区域。
6.在丁坝前后测流断面上沿水槽宽度设置3个测流垂线，测量记录水位流速。
7.整理试验数据提交试验成果报告
5实验数据记录
表1长丁坝水位流速测量记录表
截面
编号
位置（m）
水位（cm）
各相对水深处测量流速（cm/s）
垂线平均流速（cm/s）
垂线
0.2h
0.4h
0.6h
0.8h
1
1.8
左岸
9.9
1
26.5
26.7
26.7
24.1
26.7
右岸
9.8
2
36.2
38.5
40.0
37.8
38.5
平均
9.9
3
22.1
23.2
25.7
22.1
23.2
2
3.6
左岸
10
1
24.2
24.0
30.3
23.6
24.0
右岸
9.8
2
35.1
40.0
36.7
35.8
40.0
平均
9.9
3
22.6
26.5
20.5
25.3
26.5
3
4.8
左岸
8.3
1
4.7
6.4
6.7
8.5
6.4
右岸
9.3
2
48.6
53.9
49.7
50.6
53.9
平均
8.8
3
46.2
54.7
46.1
44.8
54.7
4
6.0
左岸
7.8
1
23.3
20.0
16.1
18.5
20.0
右岸
8.3
2
57.2
56.8
57.6
59.7
56.8
平均
8.0
3
41.8
42.5
45.2
40.4
42.5
表2短丁坝水位流速测量记录表
截面
编号
位置（m）
水位（cm）
各相对水深处测量流速（cm/s）
垂线平均流速（cm/s）
垂线
0.2h
0.4h
0.6h
0.8h
1
1.8
左岸
9.8
1
26.4
26.4
右岸
9.8
2
43.2
43.2
平均
9.8
3
27.8
27.8
2
3.6
左岸
9.3
1
23.0
23.0
右岸
9.5
2
40.8
40.8
平均
9.4
3
26.5
26.5
3
4.8
左岸
8.3
1
6.70
6.70
右岸
9.0
2
43.3
43.3
平均
8.6
3
41.4
41.4
4
6.0
左岸
7.8
1
12.7
12.7
右岸
9.0
2
52.3
52.3
平均
8.4
3
43.8
43.8
注：
垂线1距左岸10cm左右，垂线2于中间，垂线3距右岸10cm左右
6实验数据处理
6.1水位沿程变化
根据表1与表2中测量所得数据整理出水槽沿程各断面水位变化如表3、表4，并依此绘出水位沿程变化图。
表3长丁坝下水位沿程变化表
测量位置
断面1
断面2
断面3
断面4
左岸（cm）
9.9
10
8.3
7.8
右岸（cm）
9.8
9.8
9.3
8.3
平均（cm）
9.9
9.9
8.8
8.0
距离（m）
1.8
3.6
4.8
6.0
表4短丁坝下水位沿程变化表
测量位置
断面1
断面2
断面3
断面4
左岸（cm）
9.8
9.3
8.3
7.8
右岸（cm）
9.8
9.5
9.0
9.0
平均（cm）
9.8
9.4
8.6
8.4
距离（m）
1.8
3.6
4.8
6.0
6.2流速沿程变化
根据表1、表2所测得水槽沿程各断面的流速情况，得到各测杆所在位置出的流速沿程变化如表5与表6，并绘出各测杆垂线的平均流速沿程变化图。
表5长丁坝下流速沿程变化表
测杆位置
断面1
断面2
断面3
断面4
左岸平均
26.7
23.0
6.4
20.0
中间平均
38.5
40.8
53.9
56.8
右岸平均
23.2
26.5
54.7
42.5
表6短丁坝下流速沿程变化表
测杆位置
断面1
断面2
断面3
断面4
左岸平均
26.4
23.0
6.70
12.7
中间平均
43.2
40.8
43.3
52.3
右岸平均
27.8
26.5
41.4
43.8
6.4流速沿水深分布
分析流速沿水深分布情况，分别取长丁坝情况下的丁坝位置前断面1的三条垂线与丁坝位置后断面3的三条垂线分别作流速沿水深分布如表7，绘制流速沿水深分布图，作相应拟合。
表7流速沿垂线分布表
截面
编号
位置（m）
水位（cm）
各相对水深处测量流速（cm/s）
垂线
0.2h
0.4h
0.6h
0.8h
1
1.8
9.9
1
26.5
26.7
26.7
24.1
9.8
2
36.2
38.5
40.0
37.8
9.9
3
22.1
23.2
25.7
22.1
3
4.8
8.3
1
4.7
6.4
6.7
8.5
9.0
2
48.6
53.9
49.7
50.6
8.6
3
46.2
54.7
46.1
44.8
7木砂示踪剂观测
丁坝会对水流结构造成影响，产生回流区，此时为观测流线变化与回流区的特性，可加入示踪木屑来观测水流结构，现场回流区如图所示。
丁坝后回流区木砂示踪图
8实验结果分析
1.水位沿程变化:
在丁坝前，断面1至断面2水位逐渐雍高；到丁坝后，水位开始降低，由于丁坝安置于左岸，左岸水位下降尤其明显。
2流速沿程变化：
不论在左岸加入长丁坝或短丁坝，由于水槽断面的减小，中间与右岸流速沿程增大，且增大幅度明显，左岸由于受到丁坝的阻挡作用，流速沿程急剧减小。
3.流速沿着水深分布：
在丁坝前的断面1处，流速沿水深分布基本成对数型，流速从水面至水底逐渐减小，且中间的流速整体大于两岸流速，考虑到实验过程中在测量0.8h处水深时部分螺旋桨由于测量误差暴露于空气中，拟合时忽略最上部的流速点；在丁坝后的断面3处，流速沿水深分布也基本满足对数分布，但此时左岸流速较右岸与中间明显减小，这是丁坝阻挡水流的结果。
9实验思考题解析
1、丁坝呈上挑、正挑、下挑不同布置形式时，坝下游回流区会发生什么变化？
答：
丁坝下游回流区内，水流结构与回流区大小均与坝轴线布置有关，横轴螺旋流的方向与丁坝轴线方向有关：
上挑丁坝情况下，螺旋流指向坝田；下挑丁坝情况下，螺旋流方向相反；丁坝呈正挑时，螺旋流介于二者之间。
2、丁坝布置在弯曲河段凸岸或者凹岸侧时，丁坝下游回流区又会发生什么变化？
答：
丁坝布置在凸岸时，主流进一步挑向凹岸，坝后回流区较大，由于主槽和坝区存在较强的横向流速差,主槽和坝区水流不断交换,形成强紊动性的三维水流；丁坝布置在弯曲河段凹岸时，主流集中在水槽中部，坝后回流区流速较小。
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