大尺度散粒体周围水流结构试验研究

摘要

大尺度散粒体是山区河流常见的床面粗糙元素.为探讨大尺度散粒体形态对周围水流结构的影响规律,采用高度均为Δ的正方体、球体和四面体3种散粒体进行单体水槽试验,基于声学多普勒流速仪获得的瞬时流速资料,开展大尺度散粒体周围水流结构研究.结果表明:(1)水深h较小,h/Δ=0.9,散粒体处于非淹没状态时,其周围水流呈U形向下游扩散,正方体的横流区范围最大,球体次之,四面体最小;水深增大,h/Δ=1.8,散粒体处于淹没状态时,其周围横流将明显减弱,水流越过散粒体后在下游形成波状起伏.(2)表层合流速Um/U随弗劳德数Fr和散粒体阻水面积的增大而增大,Fr较大时,高速区主要出现在散粒体平面形心附近,最大值可达试验流速的1.3倍,正方体、球体和四面体对应的表层Um/U平面分布分别呈等腰梯形、钟形和菱形;强横流区位于散粒体形心两侧1.5Δ范围内,最大横流可达试验流速的19％.(3)Fr较小时,散粒体对纵向流速u/U垂线分布的影响较小,上游断面u/U与指数分布规律吻合,下游Δ处u/U垂线分布变化明显,此后u/U垂线分布逐渐恢复为指数分布;Fr增大后,散粒体对u/U垂线分布影响的差异逐渐增强,u/U垂线分布不再服从指数分布.