射流沖刷試驗研究.doc

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1、射流沖刷試驗研究摘要：為研究影響射流沖刷的因素，作者進行了70組試驗，分別研究了單管和多管，水平和有入射角，貼底和離開床面，靜水和動水等情況。對試驗結(jié)果的分析表明：在床沙一定、河流流速與射流流速相比不大的情況下，沖刷坑的幾何尺寸與Vj2/3D5/6有較好的關(guān)系。關(guān)鍵詞：射流射流清淤潼關(guān)高程水槽試驗1引言　　射流技術(shù)在生產(chǎn)實踐中有著廣泛的應(yīng)用。利用射流沖刷水下淤積物，作為慣常的機械挖泥的替代措施，也有所研究和應(yīng)用。例如美國海軍土木工程實驗室（NCEL）為解決軍港淤積問題，曾進行了一系列室內(nèi)和野外試驗研究[1～3]。近年來，為抑制潼關(guān)

2、河床高程的不斷抬升，在潼關(guān)河段利用安裝在船舶上的射流噴嘴系列進行河道清淤及相應(yīng)的野外測驗和室內(nèi)試驗[4,5]。由于射流技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，針對射流和射流沖刷的具體問題的試驗和研究在文獻中常有報道?！　∩淞鳑_刷，特別是河道中射流清淤，是一個相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，受到諸多因素的影響，其中包括射流要素、河流要素及河床要素。由于其所包含的物理過程的復(fù)雜性，到目前為止，幾乎所有處理此類問題的方法都是經(jīng)驗性的，所有此類問題的研究都要依靠試驗。因此，系統(tǒng)地研究不同要素與沖刷效果的關(guān)系或者說不同條件下的沖刷效果，對于射流清淤系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行是十

3、分必要的。作者通過室內(nèi)試驗對諸多因素進行了比較系統(tǒng)的試驗和分析研究。2試驗簡介　　試驗在大型玻璃水槽中進行，幾何尺寸為：長76m，寬1.2m、深0.9m。選用煤灰做模型沙。其顆粒容重γs=2.15g/cm3,鋪沙孔隙率為0.61,干容重γ0=0.84g/cm3,級配如表1。表1沙樣粒配Sizedistribution粒徑(mm)170.0050.010.0150.0250.050.0750.1D50累積沙重%5.58.115.837.579.790.51000.0317　　射流管用紫銅管及不銹鋼管制作。單噴嘴的噴嘴內(nèi)徑D分別為0.

4、162cm，0.285cm，0.499cm三種。多噴嘴的噴嘴內(nèi)徑D為0.278cm，在同一配水管上安裝七個噴嘴，噴嘴間距為5cm，試驗時可封堵4個管嘴，造成間距為5cm、10cm、15cm的三管射流。用可變高度的溢流水箱產(chǎn)生不同的穩(wěn)定水頭，最大水頭可達3m，最大射流流速約為5m/s。射流沖刷試驗分別在靜水和動水中進行。3試驗結(jié)果與分析3.1靜水中水平貼底射流沖刷　　如前所述，射流沖刷是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其影響因素有射流因素:包括射流噴嘴形狀和尺寸（本次試驗均用直徑為Ｄ的圓形噴嘴）、射流流速Vj、噴嘴距床面的高度ΔH、射流與床面的夾角

5、θ等變量；河流因素:包括河道水深h，流速V、含沙量c等變量以及射流與河道水流的相對方向；河床要素:包括河床淤積物的粒徑級配、沉積密實度等變量，以及參與射流過程中的流體和固體物質(zhì)的基本物理性質(zhì)如密度、粘性等等。把這一復(fù)雜的過程寫成數(shù)學(xué)表達式的形式，則有L=f(射流因素，河流因素，河床因素)(1)式中L為沖刷坑形態(tài)中的某一特征長度。在河流和河床條件一定的情況下，式（1）可簡化為L=f(D,Vj)(2)就最大沖刷距離Rm（噴嘴至與原始河床齊平處的距離）對D和Vj進行多變量回歸（圖1）得Rm=2.2Vj2/3D5/6（單位:cm）(3

6、)17在流體動力學(xué)中，對于水下圓管射流，由流體運動方程導(dǎo)出射流中心線上縱向流速變化[6]Vm=6.4DVj/R(4)若假定中心線上流速隨距離R增加而減少到一臨界值Vc時河床不在沖刷，則相應(yīng)的最大距離為Rm=6.4DVj/Vc(5)顯然，當(dāng)Vc一定時，Rm∞D(zhuǎn)1.0,Rm∞V1.0j。與式(3)比較，在方次上有明顯的不同。因為式(4)的流速分布只適用于無限邊界的情況。李芳君等[7]曾做過同類試驗，對其資料整理得Rm=1.25D0.8Vj2/3(6)式(6)在管徑和流速的次方上與式(3)接近。NCEL根據(jù)室內(nèi)研究的結(jié)果提出下列無量綱方

7、程[1～3](Rm/D)2.4=120ρVj2/τcR0.4e(7)式中ρ為流體密度；Re為射流雷諾數(shù)；τc為臨界切應(yīng)力。式（7）可轉(zhuǎn)化為17Rm=7.35ρ2.5/6ν1/6D5/6Vj2/3/τ2.5/6c(8)當(dāng)ρ、ν和τ取一定值時，Rm∞D(zhuǎn)5/6Vj2/3。盡管方程(7)是由薄層淤積物的二維沖刷試驗中得出的，但其沖刷的最大距離與管徑和射流流速的關(guān)系在次方上與式（3）是一致的?？梢娛?3)所反映的沖刷距離與射流動力指標(biāo)之間的關(guān)系，在不同的試驗中得到證實。床沙抗沖性能的不同，則反映在該式的系數(shù)之中。靜水中水平貼底射流條件下的沖

8、刷坑總體形態(tài)，在平面上呈淚滴狀，縱剖面呈勺形。表2所列為沖刷坑特征尺寸與最大沖刷距離的相對值。由表2可知，長、寬、深之間存在固定的比例，盡管各次試驗結(jié)果不盡相同，但其變化范圍很小。作為平均值，可取Bm/Rm＝0.36，Hm/Rm＝0.10。因此，最