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人工加糙坡面薄层水流水动力学特性试验研究

杨锦  
【摘要】: 薄层水流是在坡面降雨超过地表填洼和土壤入渗能力后产生的坡面积水在重力作用下沿坡面运动而形成的,它是地表径流的初始阶段,是土壤侵蚀的主要动力。因此,研究薄层水流的水力学特性对研究流域土壤侵蚀及产沙,泥沙灾害及环境工程等问题均有重要的科学意义。本论文在对薄层水流进行了室内水槽定床模拟试验的基础上,研究薄层水流的水力学特性(流速、水深、流态、流型、阻力系数等)随流量、坡度和床面粗糙度变化规律,为水土侵蚀的防治和保护工作提供理论依据。本研究是在同一床面粗糙度和不同粗糙度的两种情况下进行的,试验的结果如下: (1)同一床面粗糙度情况 在同一床面粗糙度情况下(颗粒粒径为2-5mm,取其平均值d=3.5mm),取i=0.05,0.02,0.01,0.005,0.002等的5个坡度,在每个坡度选取流量q=0.2,0.5,0.75,1,2,3,5L/s研究了薄层水流水力特性随不同坡度与流量的变化规律,结果如下:雷诺数Re正比于流量;如果用传统明渠水流的雷诺数来判定,随着坡度的增大,坡面流流态越倾向于向过渡流区和阻力平方区延伸;佛汝德数Fr,流速v,水深h,阻力系数f均是流量q与坡度i的幂函数;阻力系数f与雷诺数Re之间的关系和薄层水流阻力系数f与流量q之间的关系相类似; 佛汝德数Fr与阻力系数f的关系:在同一坡度条件下,随着佛汝德数Fr的增大,阻力系数f逐渐减小,它们之间呈幂函数的关系。随着坡度的增大,阻力系数也增大;雷诺数Re与佛汝德数Fr之间的关系:雷诺数Re与佛汝德数Fr之间呈幂函数关系,同时,也是坡度的幂函数。在同一坡度下,随着雷诺数Re的增大,佛汝德数Fr呈幂函数形式增大。同时,随着坡度的增大,佛汝德数Fr也呈幂函数形式增大。 (2)不同床面粗糙度情况采用室内定床阻力试验,在5种不同坡度下(坡度i=0.05、0.02、0.01、0.005和0.002),对有机玻璃床面和4种不同颗粒粒径的人工粘砂的粗糙床面(砂粒粒径分别为: 0.2~0.5 mm、0.5~1mm、1~2 mm、2~5 mm)上研究了坡面薄层水流水力学参数随床面糙率的变化规律,试验表明: 床面粗糙度对薄层水流水力学参数有比较大的影响作用,具体如下:随着床面粗糙度的变化,薄层水流可以表现出不同的流态,并不总是一种流态。等坡度同流量情况下,随着床面粗糙度的增加,坡面流雷诺数呈减小趋势,这说明床面越粗糙,坡面流流态越倾向于向层流区延伸;随着床面粗糙度的增加,佛汝德数Fr呈减小趋势,说明薄层水流随阻力增加水流流型由急流向缓流发展,故薄层水流是一种在缓流与急流之间变化的“准临界流”;相同坡度相同流量情况下,随床面粗糙度的增加阻力系数逐渐增大,水流流速越小,水流克服阻力所消耗的能量越来越多。


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