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弯道水流结构及其紊流特性的试验研究

作　者: 何建波
导　师: 王虹
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 三维电磁流速仪弯道水流环流紊动特性
分类号: TV133
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 59次
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内容摘要

在与人们生活息息相关的很多领域,流体力学都取得了巨大的成功,但是,人们对天然河流尤其是河流弯道中的水流结构、紊动特性、泥沙及污染物的输移扩散特性的认识却极其有限,这使得人们在预测河床演变、洪水、突发污染事故等与流体力学(水力学)相关的问题时遇到很大的困难。因此,对天然河流弯道中水流结构特性进行研究就显得尤为必要。但是,由于获取实测资料困难、昂贵、精度差,人们对天然河流的基础性研究都是从室内明渠弯道水槽入手的。本文即在此方面进行了探索。本试验设计了一个由4个等尺度90o弯段组合连接而成的连续弯道概化模型,采用三维电磁流速仪对该模型中的水流进行了精细测量,得到了每个测点三个方向的瞬时速度时间序列,并对其进行了时均值分析和紊动特性分析。本文分析了水面线、纵向水深平均速度、水动力轴线,三个方向流速的垂线分布特点沿流程和横向的不同之处,以及环流沿流程的形成、发展、变化过程,得到了单一弯道水流中的典型结果,如水面线的扭曲、时均流速沿横向、垂向的分布在不同断面上变化、环流在弯道中的沿程演变过程等。同时,也得到了与简单弯道水流不同的结果,如某些断面上表面水流的流向、垂线上纵向流速的最大位置、环流形式的多样性等,这些不同点对研究天然河流连续弯道中的流动有参考价值。本文还对试验数据进行了紊动特性分析,包括紊动能谱、紊动强度、紊动切应力、紊动能、紊动剪切效率、紊动时间比尺等,对弯道水流的紊动特性有了大致的认识,如紊动主要集中在10Hz以下,紊动的欧拉积分时间比尺为0,弯道紊动的随机性大等。分析了不同环流形式与各种紊动量的互相影响的关系,得出了环流区域以外的水流紊动强,而其内部的紊动弱;紊动引起的剪切效率在两岸附近和底部附近几乎为0,在水面附近最大,并且其最大位置的分布区域与环流形式有关,在固体边界和水面附近以外的区域,有局部极值出现,这些极值位于环流的边界附近;边壁附近紊动的自相关时间增长,紊动结构的时间尺度增大等一系列结论。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章引言  8-15
  1.1 本研究的意义  8-9
  1.2 弯道水流特性的研究现状及其局限性  9-13
    1.2.1 弯道水流特性的研究现状  9-13
    1.2.2 现有研究的局限性  13
  1.3 本文的主要工作内容  13-15
第2章模型设计及测量方法介绍  15-21
  2.1 模型装置  15-16
  2.2 测量方法  16-21
    2.2.1 流量测量  16
    2.2.2 水位测量  16
    2.2.3 流速测量  16-21
第3章时均值分析  21-65
  3.1 试验参数  21-22
  3.2 水面线  22-26
  3.3 时均流速分布  26-55
    3.3.1 采样数据的处理  26-27
    3.3.2 纵向水深平均流速  27-29
    3.3.3 水流动力轴线  29-30
    3.3.4 纵向流速的垂线分布  30-39
    3.3.5 横向流速的垂线分布  39-48
    3.3.6 垂向流速的垂线分布  48-55
  3.4 流动结构分析  55-65
    3.4.1 断面环流形式  55-57
    3.4.2 环流的发展  57-65
第4章紊动特性分析  65-93
  4.1 能谱分析  65-67
  4.2 紊动强度分布  67-75
  4.3 紊动切应力分布  75-81
  4.4 紊动能分布  81-84
  4.5 紊动参数分析  84-87
  4.6 紊动时间比尺分析  87-93
    4.6.1 相关公式介绍  87-88
    4.6.2 时间比尺结果分析  88-93
第5章结论及展望  93-95
  5.1 本文主要工作  93-94
  5.2 研究展望  94-95
参考文献  95-99
致谢  99-100
附录A 试验数据的拟合及外推  100-102
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  102

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