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坡面薄层水流水动力学特性试验研究

范典  
【摘要】:坡面流是降雨除去损失后在重力驱动下沿坡面运动产生的。由于水深很薄,影响因素十分复杂,要探明坡面土壤侵蚀的机理十分困难。而弄清楚坡面薄层水流的水动力特性与滚波的演化规律是研究土壤侵蚀机理的基础。近年来,国内外学者对薄层水流水动力特性有了大量的研究,但对滚波演化规律研究还很不足。主要原因是现有的测量手段精度不高且工作量庞大。本文采用超声波水位测量方法进行薄层水流模拟试验研究,试验结果表明如下:(1)提出了超声波测量滚波新方法针对超声波水位计自身系统测量研究发现,其测量的相对误差和变异系数均在合理的范围之内,系统本身具有较好的精确度和稳定性。对两种方法测得的滚波参数分析,两种方法测得的波峰水深接近程度最高,相关系数达到了0.938。而且超声波水位测量不受空间位置限制,自动化程度高且操作简单,能在得到水深数据的基础上直接计算出波速、频率和坡长。因此,与传统方法相比,该测量系统极大的减小试验时间和工作量,提高了试验效率。(2)探明了不同糙度下薄层水流水力特性的影响机制按临界流量分区,可将试验的薄层水流分为层流失稳区,过渡流区与紊流失稳区。层流失稳区的流态指数随糙度的增加先减小后增加,而其他两个区的流态指数,与糙度成负相关关系。水流的弗汝德数与单宽流量、能坡、糙度呈幂函数关系,随糙度的增加而减小,与单宽流量、能坡呈正相关关系,本试验水流以急流为主缓流为辅。水流阻力系数与单宽流量、能坡、糙度也呈幂函数关系,随糙度的增加阻力系数增大,随单宽流量的增加而变小,坡度对阻力系数的影响不大。与明渠流比较,在同一雷诺数时坡面流的阻力大于明渠流的阻力,产生增阻的效应。(3)探究了薄层水流滚波演化特征在同一坡度与流量时,波速与波高均随糙度的增加而减小,滚波频率则相反。滚波随水流沿程逐渐发育成熟,但波速随沿程变化不大,由于相邻滚波聚合,滚波的波高与波长沿程增加,滚波的频率沿程衰减。同一糙度下,滚波波速随单宽流量的增加而增加,随坡度的增加先增加后减小。滚波频率随单宽流量与坡度均成正相关关系。滚波波高随单宽流量的增加先增加后减小,在q=0.3 L﹒m-1﹒s-1左右,波高取最大值。滚波波高随坡度呈单驼峰型变化趋势,且在10度左右达到最大值。(4)得到了滚波失稳的临界水力条件在能坡一定的条件下,层流滚波消退临界单宽流量随糙度的增加先减小后增加。糙度一定时,层流滚波消退临界单宽流量随坡度的增加而减小。而过渡失稳区临界规律有所不同,紊流失稳临界单宽流量随糙度的增加而逐渐增加,故在紊流失稳区增加床面糙度可以抑制滚波的产生。在同一糙度情况下,紊流失稳临界单宽流量随坡度的增加而减小,说明坡度将促使水流达到紊流失稳区。


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