沙纹的形成与水流强度有密切的关系。沙纹床面的下水流特性研究一直以来缺少有力的研究成果。本文采用单点测量设备ADV(acoustic Doppler velocimetry)在实验水槽中对固化沙纹床面下水流特性进行细致研究。研究因素包括了沙纹床面下水流的时均流速、雷诺应力、相关系数等紊流特性。 其成果对于沙纹的成因有积极意义。
关键词沙纹床面;水流特性;ADV;紊流作用
泥沙颗粒在一定的水流作用下形成沙纹,沙纹在一定的水流条件下进一步形成沙垄。研究沙纹的形成、运动、发展,对于计算推移质输移动、河道的形 成等众多理论与实际问题都有重的意义。对于沙纹的成因,郑兆珍、王尚毅1从共振波理论出发,认为水流作用在泥沙颗粒上的推动力,可分解为时均力和脉 动力;脉动力又可理解成多级向量谐波的综合作用结果。从而在均匀水流中,对于每级谐波而言,每个或几个整波长处的对应相位沿流程一致。按照共振理论设想作 周期性摆动着的泥沙颗粒,其自身具有检波性质。白玉川等人2,3发展了郑兆珍的观点,认为扰动切应力频率接近泥沙固有频率,则泥沙颗粒产生共振,此时 床面发生响应,沙纹发展速度最快。毛野、张志军4,5论述了国内外对明渠紊流拟序结构、泥沙运动与床面形态、拟序结构与泥沙运动和拟序结构与床面形态 等方面的研究进展。其分析认为,沙纹床面对明渠水流拟序结构特性有重影响。水流在沙波顶部分离,沙波周围高于沙纹顶部的流区为自由紊流区,低于沙波顶部 的区域为沙波紊流区;在自由紊流区典型的剪切混合层也有显著的喷射和清扫为主特征的猝发现象;在沙波紊流区的沙波迎水坡面上水流分离,在背水坡附近产生 涡旋;自由紊流区域沙波紊流区之间的紊流拟序结构不同,它们相互作用的结果产生了特有的泡漩现象;沙波紊流区域和自由紊流区的紊流拟序结构对可冲积河流的 水流与泥沙运动有决定性作用。构造一个合理的概化沙纹代替天然沙纹并能反映沙纹条件下的水流结构是本文的研究出发点。
1 实验设备
声学多普勒测速仪(acoustic Doppler velocimetry,ADV),通常也称超声多普勒测速仪。它是利用声波的多普勒效应来测量流体运动速度。由于ADV的测量点与发射、接受之间存在一 定的距离,仪器本身对所测量部分的流场所造成的干扰可以忽略,因此ADV通常被认为是一种非接触式测量,可以测量三维速度。其具有精度高、无需率定、操作 简便等优点。
本实验中用的ADV系从美国Sontek公司引进的,其具有性能稳定、对水体无干扰、测量精度高、与激光测速仪相比价格低廉等优点。但由于该 ADV是采用俯视式,所以接近水面5~6cm的水深位置是测试盲区。本实验所采用的ADV各项性能指数如表1所示。图1为实验中的ADV装置。
2 实验方案
根据前期沙纹动床研究成果6,本次试验研究中出现频率最高的二维沙纹的形状波高1.5cm,迎水面波长14cm,背水面长度2cm,如 图2、3所示。此种情况下的背水面的角度为36.9°,这与文献7中所及的天然泥沙水下休止角范围32°~34°较为接近。选择该沙纹形态作为水流 特性研究的概化床面,其制作材料为5mm的有机玻璃板,制作过程保持沙纹的迎水、背水坡面的平整、缝隙密封,并可以承受实验过程中的水压力。
测点的布置为沙纹尺寸高度hs为1.5cm,沙纹的背水面的水平长度为2cm(测点间隔1cm,共3个测点),迎水面选取测量长度为12cm(测点间隔3cm,共4个测点)。x方向为水流的方向,z方向为垂向。坐标原点O定位于测试断面1#的水平投影点位置。
3 结果分析
3.1 时均流速
图4.1-4.2为沙纹床面纵向流速分布图,在不同的测量断面靠近床面底部纵向流速的变化各不相同。在沙纹波谷处(断面3#)以及迎水坡面 (4#断面),流速没有出现明显回流趋势,这与前人的研究成果8-1比较,有些不同。分析其主原因是,本研究中的沙纹波高值较小(hs=1.5 cm),以致水流的回流不是很明显,在图中显示的结果近似为零。在断面5#之后,纵向流速分布沿程分布大体是符合明渠水流的分布规律。
从垂向的流速分布也可以进一步分析水流的分离点。图4.2为沙纹床面垂向流速分布,图中2#~4#断面的基点为第一、二、三条虚线,为了便于 观看,将它们平移到图中现在的位置。从图中可以看出,断面2#~4#,靠近床面附近的距离垂向流速为负值,说明水流存在明显回流。5#断面之后垂向流速值 在垂直方向上变化很小,几乎为零,这说明水流呈现明显的二维性。因此,本次实验中的水流分离点的位置约为5.倍沙纹高度(x≈5.hs)。
在荷兰的Delft实验室的研究中,研究者(van Mierlo,M.C.L.M.and de Ruiter,J.C.C 1988)11给出了一个结果为x=5.2hs,与本文的试验结果甚为接近。
3.2 雷诺应力
雷诺应力表达式为 ,在不可压缩流体中密度?籽为常数。水流的纵向脉动流速u’和垂向脉动流速w’的时间平均值分别为零。但雷诺应力u’w’为两个变量乘积的时均值则未必为零。它表示两个随机变量之间的相关程度。
在过去对于床面稳定的分析主集中在研究迎水坡面的切应力上。因为对于推移质泥沙的输移,通常认为是与床面边界的切应力有关,特别是当水流强度Fr值较小的时候。显然,床面切应力的大小与不同断面的输沙量有密切关系。
在沙纹床面实验中,床面切应力值较大位置为背水面(断面2#)、沙纹的波谷处(断面3#)以及沙纹迎水面高度较低的断面。特别是在沙纹的波谷 处,雷诺应力值最大。随着迎水坡面地形高度向上增加,在靠近波峰处的位置,底面切应力达到最小值。所以,依照前述的观点,迎水坡面上附着点后随坡面从低到 高变化,输沙量随水流向下游逐渐减小。   3.3 相关系数
相关系数通常可以用来说明尾流涡旋对内边界层的影响作用;典型的相关系数是在.4左右(Hinze 1975,Schlichting 1979)13,8。本次实验中得到,在波谷处的相关系数有最大值为.45。在迎水面上内层的相关系数比尾流层的值小的多。在接近波峰处,此时的 边界层已经发展完全,相关系数R值接近为.2。在迎水面的较低部位,R值只有.1~.2。较小的R值说明了流动的非稳定性与典型的紊流时间尺度有较 小的相关性。这就意味着水流在纵向与垂向没有足够的相关性,即各向异性。
4 结束语
4.1 纵向与垂向流速在垂线向上的差异,主体现在波谷处。纵向流速由于受到沙纹高度的制约,在沙纹的波谷处值较小,接近于零值,没有出现明显的回流迹象;垂向流速具有明显的反向流速。通过对垂向流速的分析,确定水流再附着点位置x/hs≈5.。
4.2 雷诺应力的分布趋势是在波谷处有最大值,然后在水流方向上随着沙纹坡面高度的增加而逐渐减小。
4.3 相关系数的研究主是对水流在纵向和垂向两个方向上的脉动值(u’和w’)进行了相关性分析。得出的结论是u’和w’的相关系数最大值为.45,位于波谷床面以上约2cm处。在迎水坡面的相关系数值都较小。
参考文献
1郑兆珍,王尚毅.沙纹的成因及其计算J.水利学报,1985(4)37-44.
2蒋昌波,白玉川,赵子丹,等.沙纹床面上波流共同作用的数值模拟J.水利学报,25,36(1)62-68.
3白玉川,徐栋.扰动对明渠湍流结构及床面稳定性影响的实验研究J.水利学报,27,38(1)23-31
4毛野,张志军,徐锡荣.明渠紊流拟序结构及其对泥沙运动相互作用的研究综述J.河海大学学报,1997,27(4)51-56.
5毛野,张志军,袁新明,等.沙波附近紊流拟序结构特性初步研究J.河海大学学报(自然科学版),22,3(5)74-79.
6张向东.明渠沙纹形态特征及床面紊动特性研究D.南京河海大学,21.
7钱宁,万兆惠.泥沙运动力学M.北京科学出版社,1993.
8Schichting,H. Boundary layer theory M. New York Mcgraw-Hill,1979.
9Simpson,R.L.Turbulence boundary-layer separation J. Annual Review of Fluid Mechanics,1989,2125-234.
1Nezu,I and Nakagawa,H.Turbulent structure of backward-facing step flow and coherent vortex shedding from reattachment M. Turbulent shear flows,1989313-337.
11van Mierlo,M.C.L.M.and de Ruiter,J.C.C. Turbulence measurements above artificial dunesJ.Delft Hydraulics,1988.
12Nezu,I,Nakagawa,H. Turbulence in open channel flowM. IAHR monograph series. Rotterdam A.A.Balkema. the Netherlands,1993.
13Hinze·J·O.TurbulenceM.New YorkMcGraw-Hill,1975.
作者简介张向东(1981-),男,工程师,主从事泥沙运动力学方面研究。