[发明专利]一种模拟粗糙次层流速分布的实验装置及确定粗糙次层流速分布的方法

说明书

本发明公开了一种模拟粗糙次层流速分布的实验装置及确定粗糙次层流速分布的方法，试验装置包括可变坡循环水槽系统和流动量测系统，其中，可变坡循环水槽系统用于模拟粗糙次层流动，流动量测系统用于量测可变坡循环水槽系统中各个区域的流速分布；本发明方法在可变坡循环水槽中，利用圆柱铝棒模拟大尺度糙元，并改变淹没度、断面平均流速、糙元分布密度，进行试验研究；本发明提出的确定粗糙次层流速分布的方法，有助于对河道水流、陆地大气流等复杂边界流动的精细化模拟，并为河床输沙变形、大气污染问题的研究提供一定的基础。

技术领域

本发明属于紊流力学技术，具体涉及一种模拟粗糙次层流速分布的实验装置及确定粗糙次层流速分布的方法。

背景技术

当流体经过某一固定壁面时，将受到其表面阻力作用的影响，形成边壁剪切流动。边壁剪切流动广泛存在于自然界中，如河道径流、地表大气流等。但在天然情况下，边壁的表面并不光滑，如河道床面呈起伏形态，陆地表面往往分布着森林、草场以及城市建筑群等，造成流动特性在靠近壁面的范围内发生变化。其中，流动特性发生变化的区域称为粗糙次层，而河道表面的沙波以及陆地表面的森林、建筑群等则统称为糙元。粗糙次层的厚度数倍于糙元尺寸，该区域内的流动对河床冲淤变形、大气污染物输移等产生重要影响。有必要研究粗糙次层的流动特性。目前，已经围绕粗糙次层的作用范围展开研究，尚未明确该区域的流动分布。

发明内容

发明目的：本发明针对上述研究现状与不足，结合实验室模拟与紊流理论分析，提供一种模拟粗糙次层流速分布的实验装置及确定粗糙次层流速分布的方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种模拟粗糙次层流速分布的实验装置，包括可变坡循环水槽系统和流动量测系统，其中，可变坡循环水槽系统用于模拟粗糙次层流动，流动量测系统用于量测可变坡循环水槽系统中各个区域的流速分布。

可选的，可变坡循环水槽系统包括可变坡循环水槽、进水管道、尾门和圆柱铝棒，可变坡循环水槽的上、下游分别通过进水管道和尾门连接水库，实现流动自循环，圆柱铝棒沿纵向和横向对齐排列在可变坡循环水槽底部中部区域。

可选的，在进水管道上还设置有变频泵-电磁流量计系统，以保证持续、恒定的设计来流量Q。

可选的，流动量测系统采用声学多普勒流速仪ADV进行流动测量。

本发明还提供了一种采用上述实验装置确定粗糙次层流速分布的方法，包括以下步骤：

(1)可变坡循环水槽用于模拟粗糙次层流动，并将粗糙次层自床面向上，分为近底层和混合层两部分，其中，混合层由下向上进一步细分为渗透区和自由流动区两个区域，其中，粗糙次层的上边界z＝h_o，即粗糙次层为0zh_o，近底层为0zh_p，混合层为h_pzh_o，渗透区为h_pzh，自由流动区为hzh_o；圆柱铝棒用于模拟糙元，并位于近底层和渗透区，其中，z＝h对应糙元顶部位置；对于渗透区或自由流动区，将长度比尺L_C取相应区域的厚度，速度比尺U_C取上、下边界的流速差；

(2)调整尾门开度和水槽坡度，以使可变坡循环水槽内的水达到设计水深H且保持其沿程不变；最终，使呈现恒定、均匀流状态，且相应的水深H、断面平均流速U_m＝Q/(BH)均达到试验设计值；

(3)定义相邻糙元沿x、y方向的距离分别为S_x、S_y，设计正交试验：改变相邻铝棒沿x、y方向的距离S_x、S_y，调整糙元分布密度；改变水深H，调整淹没度H/h；改变水泵出力，调整U_m；按照“S_x-S_y-H/h-U_m”的方式对每组工况进行命名；