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1、毕业论文 毕 业 论 文题 目: 弯性水流的特性 学院(直属系): 年级、 专业: 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 完 成 时 间: 目 录摘要31前言42概述53.水流概念64缓流弯道水流的特性64.1弯道水面横比降及超高64.1.2水面横比降公式比较74.2断面环流104.2.1断面环流成因104.2.2弯道环流的公式推导114.2.3环流强度及其分布154.3弯道中纵向流速的分布155.急流弯道水流的特性175.1急流冲击波175.2急流弯道超高大小和超高位置的研究206.本人对弯道水流特性的总结及公式推导226.1缓流弯道公式226.2急流弯道公式247 弯道对工程的影响
2、257.1缓流弯道对工程的影响257.2急流弯道对工程的影响258 结论26总结与体会27谢 辞28摘要天然河道中，并非每一条河流都呈直线，而是曲曲折折，存在着许多弯道,水在流动的时候受边界条件影响很大，弯道水流是工程实际中经常碰到的一种水流形式。由于弯道特有的几何特征和几何条件，其水流特性与顺直河道有显著的不同。弯道中水流流态比较复杂，按其流态可以分为弯道缓流运动和弯道急流运动本文主要研究了弯道缓流的水流横向比降，断面环流，水流流速分布，水流水面线等，研究了弯道急流的冲击波，超高等。弯道水流的特性研究对江河治理、航运等方面的科学研究与设计有重要意义，因此，我们应对其进行充分研究，为实际工程提
3、供强有力的科学依据。关键词：弯道；横向比降；断面环流；流速；冲击波；超高；前言弯道水流是渠道和河道中常见的一种水流运动现象，弯道水流的运动机理和研究成果已在水利枢纽布置，河道、航道整治，取、排水口选址以及码头、港口建设等领域得到了广泛的应用，因此，无论从除害还是兴利的角度，都需要对弯道水流的特性进行充分研究。本文分别对弯道缓流和弯道急流进行了阐述，较为系统地归纳了弯道水流的特性。研究弯道水流特性的目的：了解弯道水流的运动规律，为目前工程使用提供参考，为研究提供借鉴，给学习者提供信息等等。研究弯道水流特性的意义：人工渠道或天然河道一般都有弯道存在。当水流通过弯道时，水流在弯道中作曲线运动，水质点
4、除受重力作用，还要受到离心力的作用，水流为了平衡这个力而使得凹岸方向的水面增高，凸岸方向的水面降低，形成横向水面比降，水力要素在同一横断面上的分布差异很大造成弯道水流流态紊乱。这种水力现象使得弯道外侧边坡加高而增加了工程量：流态紊乱使得消能防冲困难而威胁工程安全。在泄水工程布置时，急流弯道中水流的流态十分复杂，若处理不好，将对下游泄槽流态及消能设施均产生很大的影响，对工程安全带来严重威胁。因此，研究弯道水流的特性对我们的工程具有重要意义。2概述弯曲河段对国民经济各部门都有着较大的影响，历来受到人们的重视。特别是随着对研究深度与广度越来越高的要求，采用物理模型和数学模型，开展河弯水流运动和河床变
5、形方面的模拟，往往是常有的事情，也是很有效的。模型试验与数值计算相结合，各取所长，相互印证,是研究弯道河流特性的主要手段。河湾是平原河流中最普遍、最典型的大地貌形态。我国海河流域的南运河，淮河流域的汝河下游和沙河、颖河下游，黄河流域的渭河下游，长江流域的汉江下游以及有“九曲回肠”之称的长江荆江河段等，都是典型的弯曲型河段（如下图）图 弯曲型河段是冲积河流中最常见的一种河型，在世界分布很广，对防洪、航运等有重要的影响。由于河道水流与河道的形成之间存在着密切关系，河流演变特征与弯道水流特性当有必然联系。所以对弯道水流运动规律的研究，在水利工程学的许多领域中，占有重要的位置。例如，在河流治理、港口兴
6、建、引水防沙、桥墩防冲以及改善河道航运等方面都得到了广泛的应用。由于弯道水流运动比较复杂，它不仅具有普通直道水流特性，而且水面不平衡，在横向有环流，如果是急流，还会引发冲击波等。自1876年J.Thompson在实验中发现了弯道水流同时存在着纵向和横向流动以来，很多学者致力于这一问题的研究。弯道水流分为缓流和急流，本论文主要阐述了弯道水流的超高、流速分布、水面线及冲击波等特性，对其进行了总结、归纳和推导，以便工程运用。3水流的分类水流流经弯道时作曲线运动，水面形态和水流结构发生调整和变化，形成弯道水流特有的运动特性，而水流按其性质可分为缓流和急流。缓流，明渠流受障碍物干扰与水流受到扰动所产生的
7、干扰，在性质上是一致的。若水流的流速较小，小于扰动产生的波速，则干扰波就只能向上游传播，无法向下游传播，这种水流就是缓流。在弯道水流中也是经常可见的。急流，明渠流受障碍物干扰与水流受到扰动所产生的干扰，在性质上是一致的，若水流的流速较大，大于扰动产生的波速，则干扰波就只能向下游传播，无法向上游传播，这种水流就是急流。在弯道水流中是经常可见的。本文将分别对缓流弯道和急流弯道的水流特性进行阐述。4缓流弯道水流的特性弯道水流运动与河床变形是河流动力学研究的主要问题之一。弯道水流特性必决定弯道泥沙运动和河床演变的基本规律。当水流从直段进入弯段后,由于水流做曲线运动后产生离心力,使凹岸水面高于凸岸水面,
8、形成横比降下的环流,它与河道的纵向水流汇合成为螺旋流,是一种复杂的三维紊流。弯道水流运动形态如图1-1多年来,大量学者从各个方面对弯道特有的水流运动、河床演变规律进行了广泛的研究,说明其具有重要的理论意义和使用价值,同时也说明这种三维流体运动的难度和复杂性。研究弯道水流运动规律与研究河床演变、河道整治、河岸防护等许多问题有着极其密切的关系。4.1弯道水面横比降及超高4.1.1 横向水面超高图解在离心力的作用下，弯道水流形成凹岸水面高于凸岸水面的横向水面比降。凹岸和凸岸的水位差，称为横向水面超高，用h表示，如图4.1所示。h的计算公式为： （4-1）式中 a0校正系数，取1.011.1； 断面平
9、均流速； 弯道轴线的曲率半径； B水面宽度。可以看出来，弯道曲率半径越小，则横向水面超高越大；弯道曲率半径越大，则横向水面超高越小。 图4.1 横向水面超高4.1.2水面横比降公式比较当水流进人弯曲河段时，由于离心力的作用，使得凹岸水位抬高，凸岸水位降低，从而造成了水面横比降。水面横比降的最大值发生在弯道的中部(弯顶以下) ，并向下逐渐减小，一直延续到弯道出口以下；水面最低点位于弯道进口偏下的凸岸处，水面最高点位于弯顶以下的凹岸处，且其部位随着水流弗氏数的增加而向上游移动（1）罗索夫斯基(Romvskii IL)公式在工程应用中，罗索夫斯基引入对数流速分布公式得到水面横比降公式： （4-2）式
10、中：Jr水面横比降;纵向垂线平均流速;0流速垂线分布不均匀系数;0河底横向阻力; r某点距曲率中心半径;水的密度;g重力加速度。张红武引入流速分布公式,并引入谢才公式,得到下列水面横比降公式: （4-3） 式中：C谢才系数。实践检验表明，罗索夫斯基公式在粗糙床面情况下，横比降略偏小；而张红武公式无论床面粗糙或光滑，横比降计算值与实测值的偏差均较小。孙东坡等采用结构简单、没有近壁区缺陷的指数型纵向流速分布公式,得到如下横比降公式: （4-4）式中：n与雷诺数和相对粗糙度有关的常数,大量实测资料表明,天然河道取n=7与实测值比较一致。刘焕芳通过试验研究得出了整个弯道上水面横比降的分布公式: （4-
11、5）式中:所求断面与弯道进口断面的夹角;0弯道中心角。其他字母含义同式（4-2）张海燕计算水面横比降或水面超高时,略去床面引起的横向力,通过作用于深度为D的水柱上压力与离心力的平衡得到横比降公式如下: （4-6）式中: Cr校正系数。假定Cr=1,从而得到凹岸与凸岸之间的水面超高h的近似表达式为h= （4-7）式中: B水面宽度;尽管计算水面横比降的公式各异,但对于弯道水面最大横向超高的计算,不同的学者用不同的分析方法都得到了式(4-7)的形式。如沈波等在建立河湾冲刷最大水深的计算式时,对河湾水面横向超高进行了计算。其采用河湾输沙平衡时断面平均冲止流速近似代替,得到最大横向超高计算式:h= （
12、4-8） 式中：河湾输沙平衡时断面平均冲止流速。毛佩郁等认为式(4-7)与直接由离心力所产生的水面横比降简单关系进行积分所得的常见水面超高公式h=ln比较,结果甚为相近,而且水面沿河宽呈对数变化曲线也较接近试验资料。考虑到流速分布的不均匀性,当取为断面平均流速时,则可加修正系数1.1左右,即:h=1.1ln （4-9）式中:h是以河心半径r0处为起点计算任意半径r处的高差。当把r0换成凸岸r1, r换成凹岸r2,则可得到凹凸岸最大水面高差h。但张玉萍认为弯道横向水面凹岸升高除受离心力升高外,还因弯段前直段水流的惯性作用顶冲凹岸时,有部分动能转化为势能而使凹岸水面升高一定数值。顶冲水流的横向分速
13、Vcos的部分动能转变为势能使水位升高值为:h2=(cos)2/2g （4-10）式中:进口直段轴线与弯段凹岸交点之法线的交角;r0/及边坡系数有关的系数,可近似地取值为1。由此得到弯道横断面最大超高值为:h= ln+ （4-11）4.2断面环流4.2.1断面环流成因弯道水流在横断面上形成凹岸水面高，凸岸水面低的环形流动，现分析断面环流的成因。图4.2表示一矩形弯道，在断面上任取一微元柱体，对其进行受力分析。作用在柱体上的横向力有离心力和动水压力。离心力的大小与纵向流速的平方成正比，沿垂线呈抛物线分布，如图2.2a所示。柱体两侧动水压强分布见图2.2b所示，其压强差分布见图2.2c所示。离心力和压强差分布叠加后的图形即为作用于柱体的横向合力沿垂线的分布图，见图2.2d所示。横向合力的作用，加之水流运动的连续性，形成了断面环流。
