明渠水流阻力研究现状分析

只有正确深入地把握水流阻力规律,才能掌握解决水力学及河流动力学中各种实际问题的主动性。本文通过系统评述和研究分析前人成果,对相关问题有所澄清。历史上曾经影响较大且不需要调整参数的杜博公式、艾特魏因公式、曼宁第二公式,可反映曼宁公式所代表的平均情况,但难以像曼宁公式那样能够适应自然界复杂多变的摩阻特性。至于巴辛公式,若将其河道粗糙特征的系数与曼宁糙率系数建立关系,同样能够适用于水流阻力计算。对于动床阻力问题,众多学者已认识到水流强度、河床形态的变化及流体中含沙浓度的重要影响,也通过不同角度建立了一些经验或半经验公式。为能找出实用性强或精度高的计算公式,还必须注重分析水流、河床与泥沙运动之间相互影响的内在机理,尤其需要在各种因子的影响机理及计算途径上开展深入研究。     

含植物河流动力学实验研究-流速、摩阻流速及曼宁糙率系数垂线分布

根据实验室水生植物水槽中71个断面上的点流速及水深、流量和水生植物密度，分析了：1)流速垂线分布；2)相对摩阻流速的垂线分布；3)曼宁糙率系数的垂线分布规律及水生植物密度对它们的影响。结果表明：1)含植物河流中的流速垂线分布呈三区，从下至上分别为冠层区、过渡区和冠层以上区；2)相对摩阻流速垂线分布受水槽底边壁、植物和自由水面的影响．在三个区内各不相同；3)曼宁糙率系数的垂线分布呈倒“S”形。同时，本文归纳出含植物河流流速垂线分布经验公式．该公式可进一步运用到实际河流中。     

含植物河道曼宁阻力系数的研究

含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁,传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则,首次提出了一系列等效水力参数的概念,建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式,并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进行水槽试验,对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论,并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性,因此具有普遍的应用价值,可以用来进行实际工程中糙率的计算。     

含植物河道等效床面阻力试验研究

植物广泛存在于滩地和河槽中,可有效改善水环境,但同时也增加了水流阻力。通常采用不同材料的棍状物或仿生植物模拟实际植物进行试验研究,将植物阻力附加于床面上与原床面阻力一起构成等效床面阻力,因模拟实际植物的不相似导致含植物河道等效床面阻力的研究不够完善。本文提出了对实际植物分区施加实际流速条件进行试验的思路,即按河道现场调研的植物密度布置,沿横向和垂向对河道横断面分区,对实际植物区域施加实际流速条件,试验研究分区水体中的植物阻力,最后换算得到表征等效床面阻力的等效床面糙率。以独流减河上游河道为对象,选用乔木、灌木和芦苇三种典型植物,考虑河道横断面不同分区的流速条件进行了试验,结果表明,当遭遇100年一遇洪水时,乔木种植区域的等效床面糙率为0.060～0.066,灌木种植区域的等效床面糙率为0.083～0.099,芦苇种植区域的等效床面糙率为0.698～0.989。研究成果可为防洪计算和水环境治理提供理论支持。     

生态浮床对河道水流阻力效应试验研究

采用水槽试验方法研究了不同水流条件、不同布置形式下生态浮床对河道水流阻力特性的影响,结果表明:试验条件下,生态浮床增加了水流阻力,造成上游水位壅高,流经生态浮床附近的水流流速迅速降低,床体两侧涡纹明显;生态浮床的等效附加糙率为0.006～0.043,在相同流速条件下,水深越深,等效附加糙率越大,浮床居中布置较浮床交错布置等效附加糙率更大些。     

含柔性植物明渠水流阻力特性试验研究

利用水槽试验研究了无草、淹没型、非淹没型柔性植物水流阻力特性的变化规律,分析了含植物明渠沿程水面比降和阻力系数的变化特性。得到各植物阻力系数变化与尼库拉兹曲线基本相似,紊流范围内同样可划分为紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区;探讨了各植物明渠等效河床的问题,据此确定了各植物的粗糙度,对植物粗糙度、水流雷诺数和阻力系数之间的关系进行了分析,并通过对各植物水流阻力系数的分区回归计算,得到各植物水流阻力的分区经验表达式,该方法能较好地应用于含植物明渠水流阻力系数的推求。     

含植物水流动力特性研究进展

鉴于植物与水动力之间复杂的相互作用过程,从植物对水流的阻力作用、植物引起的紊动作用以及植物对波浪的消减作用三方面,综述了国内外含植物水流动力特性研究进展,总结了不同水动力条件下含植物河道Manning系数、拖曳力系数与植物特性之间的定量关系,讨论了植物引起的纵向流速垂向分布和紊动强度变化以及植物在海岸带波浪消减中起到的作用。针对目前含植物水流动力特性研究中存在的不足,指出植物拖曳力系数、含植物水流紊动特征、植物-水流-波浪耦合作用机理为今后研究的重点。     

浮帘群水流阻力特性试验研究

为探明含浮帘群水流的阻力特性和各阻力参数计算方法,对不同间距、不同高度浮帘群在不同恒定均匀明渠流中的阻力特性开展了92组水槽试验。通过拟合水面线获得水力坡降,探讨浮帘拖曳力系数、曼宁糙率和达西韦斯巴赫阻力系数的变化规律。研究结果表明:浮帘群布置存在临界间距,此时浮帘间的相互干扰作用几乎消失;浮帘群消能增阻作用明显,其拖曳力系数在不同水流条件下变化较小,取值介于1.60~2.05之间;曼宁糙率主要与浮帘相对高度及浮帘分布密度有关,并获得了曼宁糙率的修正计算方法;达西韦斯巴赫阻力系数可由浮帘相对高度、浮帘分布密度及浮帘雷诺数组成的拟合公式获得。     

北方河流冰期水流阻力分析

本文通过由流速分布推求冰期河道冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考虑冰盖影响区与河床的流速分布,确定最大流速位置,阐述了冰盖对水流的阻力是研究河道冰情演变及其运动规律的依据.并对河道冰期形成冰盖,其阻力使河道水位升高、过流能力降低、水位流量关系改变.流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了分析.为北方地区基层测站的冰期测验工作提供参考.     

变态河工模型中的水流阻力相似分析

通过钱塘江河口闻家堰河段水文测验资料,得到了该河段的水流阻力损失的构成、各种阻力损失的大小以及该河段的河床糙率系数,同时对变态河工模型中的糙率相似问题进行了深入探讨.理论分析和模型验证结果表明,河工模型在几何相似满足的前提下,只需满足河床糙率相似,即可基本满足模型中水流阻力的相似问题.     

沉水植物对河道曼宁系数影响的实验研究

该文在实验室水槽中利用三维声学多普勒流速仪(ADV)和波高仪测定水流流速和波浪高度,以此数据研究了河道水生沉水植物对曼宁系数的影响。实验利用人造植物模拟自然植物,研究结果表明沉水植物对水流结构、阻力特性存在显著影响。在分析曼宁系数的变化规律之后提出了新的半经验方程,用以预测不同植物密度、不同波流条件下曼宁系数的变化。曼宁系数主要和植物密度和水流流速有关,同时受波浪的影响。新的方程对曼宁系数的拟合效果良好。     

Influence of bending rigidity of submerged vegetation on local flow resistance

The different state of the submerged vegetation has different influences on the flow resistance. This paper explores the relationship between the state and the resistance of an individual submerged vegetation, and the relative bending rigidity of the submerged vegetation is determined by the state of the submerged vegetation. Based on the experimental observations, the state and the resistance of an individual submerged vegetation are analyzed under different inflow conditions. At the same time, the influences of the various submerged vegetations on the flow resistance are discussed under the same inflow conditions. Some interesting relationships are obtained between the flow resistance and the relative bending rigidity of the submerged vegetation, and it is shown that the flow resistance increases with the increase of the relative bending rigidity of the submerged vegetation, and they are positively correlated.     

植物茎秆影响坡面径流水动力学特性研究

为深入揭示植被覆盖下坡面流阻力的内在规律,在考虑植被段前壅高和段后水深的基础上,系统研究了植被茎秆覆盖度为32.32%时6个坡度和12个流量组合下坡面流的流动特性。结果表明:在植被茎秆覆盖度为32.32%条件下,当坡度小于6°时,坡度对平均流速影响与流量相当,而坡度大于6°时,坡度对流速的影响甚微;试验过程中,壅水区水深与平均水深均随着流量增加而增大,而尾水深则略有波动;植被阻力系数随雷诺数的增加而增大,而随弗汝徳数的增加而减小,这是植被的粘滞阻力和压差阻力相互作用的结果。该成果为进一步研究植被覆盖下坡面流水动力学特性提供理论依据,进而对水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义。     

不同边壁条件下矩形明渠水力特性实验研究

为了研究明渠水流水力特性变化规律,在室内实验的基础上,采用矩形明渠变坡水槽,通过改变边壁条件、坡度和流量进行实验,得到了较好的实验数据。实验结果表明:边壁条件和坡度相同的情况下,随着流量的增加,水深呈线性增加,平均流速和雷诺数呈现幂函数增大;当Fr1时,弗劳德数随着流量的增加而增加;当1Fr1.526时,弗劳德数随着流量的增加先增加而后减小;当Fr1.526时,弗劳德数随着流量的增加而减小;曼宁糙率系数随着流量的增加呈对数减小趋势。边壁条件和流量相同的情况下,随着坡度的增大,水深呈减小趋势,平均流速、雷诺数、弗劳德数和曼宁糙率系数均呈现增加的趋势。并由实验数据得出了雷诺数与坡度和流量关系的经验公式。     

管道高浓度泥浆阻力系数的试验研究

选择典型堤防淤筑工程与典型管道泥浆输送施工设备,采用现场观测对泥浆管道阻力系数进行了试验研究。作者利用实测管道压力、流量、含沙量等数据对高含沙水流阻力特性进行分析,取得了在管道粗糙过渡区泥浆沿程阻力系数受Re数、含沙量影响的基本认识,进一步给出了常规条件下沿程阻力系数与综合泥浆因子间相关关系及计算方法。同时还对典型管道泥浆局部阻力也进行了分析研究,提出了在考虑水流强度、泥沙因子的条件下泥浆局部阻力系数的确定方法。研究成果可供泥浆管道水力设计与泥浆管道施工定额编制时参考使用。     

植被缓流效果试验研究

为深入研究植被减流减沙特征及对流域水土保持效益的影响,本文通过5个覆盖度,6个坡度和7个流量的组合条件下的室内放水试验,系统研究了植被对坡面水流的缓流特征。结果表明:随着植被覆盖度增加,植被对坡面水流的阻滞作用逐渐凸显,即缓流系数减小,缓流效果增强,当植被覆盖度大于4.650%时,缓流效果趋于稳定。在试验流量范围内,缓流系数随流量的增加呈现逐渐减少的趋势,而随坡度的增加略有增加。缓流系数随水深和雷诺数增加而减小,而与弗劳德数呈反C型分布。最后,建立了基于试验控制变量(植被覆盖度,流量和坡度)的缓流系数预测公式。     

山区河道水流阻力研究进展

山区河道水流阻力研究对于认识山区河道中水流特性、山洪行进过程以及山区河道输沙规律都具有重要的意义.本文从4个方面总结前人关于山区河道水流阻力方面的研究进展,包括:(1)泥沙阻力;(2)河道底坡与水流阻力的关系;(3)典型形体阻力;(4)阻力划分.其中泥沙阻力是肤面阻力的主要来源,这是以往研究中涉及较多的内容;河道底坡属于关注较多的形体阻力;其它形体阻力包括床面沙石突起、漂浮的树木、阶梯—深潭构造等均是山区河道所特有的,研究成果相对较少.阻力划分思想为从整体上得到具有普遍意义的阻力计算式提供了有效途径,但由于山区河道的阻力形成机制和物理来源尚未完全理清,使其应用受到一定的限制.今后还需在深入了解山区河道水流阻力机理的基础上,采用阻力划分方法对阻力系数量化做进一步的研究.     

坡面流阻力规律试验研究

通过实验室人工隆雨水槽试验，初步研究了坡面浅层均匀流及由降雨形成的浅层沿程变量流的流动阻力规律，根据试验中观察到的物理现象及对实测资料的分析，进一步明确了坡面浅层水汉与一般明渠流水力特性的差别，揭示了降雨、坡度和表面粗糙度对浅层流流动特性的影响，提出了“伪层流”的概念，根据实测资料建立了不同流区的Ｄarcy-Weisbach阻力参数f的定量关系式，研究成果可用于坡面流汇流计算及土壤侵蚀、产沙模拟等生产实践。     

封冻河道的阻力研究

冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用 Prandtl半经验紊流理论,推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式,并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论;对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究,并与现场实测资料进行了验证。