河海大学港口航道工程综合试验水流流速场试验.docx

1、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

2、、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

3、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0.2h0.4h0.6h0.8h11.8左岸9.528.1126.527.327.628.027.3右岸9.5238.642.240.338.642.2平均9.5322.325.626.729.025.623.6左岸9.428.4126.326.427.326.226.4右岸9.4233.335.936.635.135.9平均9.4325.227.425.725.827.434.8左岸9.129.3125.226.128.926.826.1右岸9.1227.336.435.134.836.4平均9.1320.527.

4、325.628.527.346.0左岸9.029.3126.227.729.126.927.7右岸9.2228.831.334.032.731.3平均9.1324.427.228.227.727.257.3左岸8.929.6128.429.933.029.229.9右岸9.1228.832.330.729.732.3平均9.0325.628.229.228.728.269.6左岸8.530.3128.233.135.430.433.1右岸9.1229.430.330.327.330.3平均8.8325.927.630.527.027.6711.8左岸8.630.3130.030.128.926

5、.230.1右岸9.0229.432.632.728.032.6平均8.8328.529.129.528.329.1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)9.59.49.19.19.08.48.5右岸(cm)9.59.49.19.29.19.19.0平均(cm)9.59.49.19.08.98.58.6距离(m)1.83.64.86.07.39.611.86.2弯

6、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（）57.3左岸8.90.21.21.67右岸9.169.6左岸8.50.61.25右岸9.1711.8左岸8.60.41.23.3右岸9.06.3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27.326.426.12

7、7.729.933.130.1中间平均42.235.936.431.332.330.332.6右岸平均25.627.427.327.228.227.629.1断面平均28.128.429.329.329.630.330.36.4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0.2h0.4h0.6h0.8h46.09.0126.227.729.126.99.1228.831.334.032.79.2324

8、.427.228.227.769.68.5128.233.135.430.48.8229.430.330.327.39.1325.927.630.527.07 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

9、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

10、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

11、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=0.09m J=0.01/(11.8-1.8),v=0.3m/s

12、,可得n=1.910-37、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

13、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。

14、 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0.2h0.4h0.6h0.8h11.8左岸9.9126.526.726.724.126.7右岸9.8236.238.540.037.838.5平均9.9322.123.225.722.123.223.6左岸10124.224.030.323.624.0右岸9.8235.140.036.735

15、.840.0平均9.9322.626.520.525.326.534.8左岸8.314.76.46.78.56.4右岸9.3248.653.949.750.653.9平均8.8346.254.746.144.854.746.0左岸7.8123.320.016.118.520.0右岸8.3257.256.857.659.756.8平均8.0341.842.545.240.442.5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0.2h0.4h0.6h0.8h11.8左岸9.8126.426.4右岸9.8243.243.2平

16、均9.8327.827.823.6左岸9.3123.023.0右岸9.5240.840.8平均9.4326.526.534.8左岸8.316.706.70右岸9.0243.343.3平均8.6341.441.446.0左岸7.8112.712.7右岸9.0252.352.3平均8.4343.843.8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)9.9108.37.8右岸(

17、cm)9.89.89.38.3平均(cm)9.99.98.88.0距离(m)1.83.64.86.0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)9.89.38.37.8右岸(cm)9.89.59.09.0平均(cm)9.89.48.68.4距离(m)1.83.64.86.06.2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26.723.06.420.0中间平均38.540.853.956.8右岸平均2

18、3.226.554.742.5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26.423.06.7012.7中间平均43.240.843.352.3右岸平均27.826.541.443.86.4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0.2h0.4h0.6h0.8h11.89.9126.526.726.724.19.8236.238.540.037.89

19、.9322.123.225.722.134.88.314.76.46.78.59.0248.653.949.750.68.6346.254.746.144.87 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

20、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。 （注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）