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1、第32卷第1期人民黃河Vo1．32．No．12010年1月YELLOWRIVERJan．，2010【水文·泥沙】泥沙起動表達式互化研究戴清，張治昊，胡健，劉春晶(中國水利水電科學研究院，北京100044)摘要：在分析泥沙起動時水流流態(tài)特征的基礎(chǔ)上，對泥沙起動時的起動流速表達形式與起動拖曳力表達形式之間的關(guān)系進行了研究，得到了互化公式。以經(jīng)典泥沙起動時拖曳力資料和起動流速資料為例，展示了起動資料的互化結(jié)果，并對不同粒徑泥沙起動時的水流流態(tài)、阻力規(guī)律、起動機理等問題進行了分析。關(guān)鍵詞：沙粒雷諾數(shù)；希爾茲數(shù)；互化公式；起動流
2、速；起動拖曳力；泥沙起動中圖分類號：TV142文獻標識碼：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．01．012起動拖曳力和起動流速是對同一現(xiàn)象的不同表示方式。動拖曳力公式是希爾茲等人建立的希爾茲數(shù)與沙粒雷諾數(shù)之前人試驗研究表明：促使泥沙直接起動的是水流拖曳力，用平間的函數(shù)關(guān)系(希爾茲曲線關(guān)系)；泥沙起動流速是指泥沙處于均流速來衡量泥沙的起動是間接的；起動拖曳力的表達形式起動狀態(tài)的垂線平均流速，經(jīng)典起動流速公式是起動流速與水存在坡降量測精度的問題，平均流速在水文站為經(jīng)常測驗項流特性參數(shù)和泥沙
3、特性參數(shù)之間的經(jīng)驗公式(散粒體與黏性細目，其形式容易掌握。因此，兩種方法一直都在被采用，且彼此顆粒泥沙的統(tǒng)一起動流速公式)。現(xiàn)介紹由其中一種向另一種之間可以相互轉(zhuǎn)化。從邊界層理論來講，兩種形式之間的關(guān)系的轉(zhuǎn)換方法，以推求互化公式。可用平均流速與摩阻流速的通用公式表達，即1．1拖曳力形式向流速形式轉(zhuǎn)換該互化方式可解決拖曳力形式向任意指定水深條件(水力半徑R或當量管徑d)下的流速形式的轉(zhuǎn)換公式問題?；セ瘏⑹街校篣為平均流速，em／s(計算時用m／s)；“．為摩阻流速，數(shù)見表1(表中：=to／[(Y一Y)d]，為希爾茲數(shù)；為
4、沙粒切em／s(計算時用ns)為液體密度，k晷／m；A為沿程阻力系數(shù)。應(yīng)力；d為沙粒中徑；為沙粒容重；為液體容重；為運動黏以式(1)為基礎(chǔ)，可以得到嚴格意義上的互化公式。另一滯系數(shù))，互化步驟如下。方面，實際工作中在研究泥沙起動問題時，為避免迭代試算或表1互化參數(shù)查圖等繁瑣的工作，人們往往建立解析公式，代表性的有對數(shù)流速法和指數(shù)流速法J，其公式分別為2．51n(11h)=+(2)U=0．32A()。。(3)s(1)利用沿程水頭損失基本關(guān)系式和條件參數(shù)計算過程參式中：h為水深，m；△為床面糙率高度，m；A為指數(shù)流速公式系
5、數(shù)。由沿程水頭損失公式：數(shù)；為水力半徑，m；k為絕對粗糙度，m。矗r=A1f2對數(shù)流速法和指數(shù)流速法的前提條件是泥沙起動時水流(4)處于紊流粗糙區(qū)狀態(tài)，紊流粗糙區(qū)判定條件為水流雷諾數(shù)得到水力坡度表達式：Re>2300、沙粒雷諾數(shù)Re。>70。代表性方法產(chǎn)生的偏差及由．，=爭=㈤此引發(fā)的規(guī)律性偏離問題值得深入分析。筆者在分析泥沙起動時水流流態(tài)特征的基礎(chǔ)上，分析得到了起動流速與起動拖曳式中：為沿程水頭損失；z為流長；g為重力加速度；_，為水力力的互化公式，以經(jīng)典泥沙起動拖曳力資料和起動流速資料為坡度。例，展示了起動資料的互
6、化結(jié)果，并對泥沙起動條件下水流的流態(tài)變化、阻力規(guī)律等問題進行了分析。收稿日期：20o9—09-25基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項(200801006)。1互化公式推導作者簡介：戴清(1964一)，男，湖北麻城人，高級工程師(教授級)，研究方向為河流泥沙。起動拖曳力是指泥沙處于起動狀態(tài)的床面剪切力，經(jīng)典起E—mail：daiqing@iwhr．corn·26·人民黃河2010年第1期-Ybdd利用式(5)和水力半徑與當量管徑的關(guān)系(尺)，對沿=√岳=~／ggY,=一．√g了簪程水頭損失與切應(yīng)力關(guān)系Jr。=TRJ進行變
7、換，得到下式：(17)drAU2r。。=—一4=--Pg-~a(6。)生：Re：、／A將希爾茲數(shù)=—代入式(6)，可以得到y(tǒng)一y，魯74—2sc+豢√sgdctsA=r。=旦(一y)a=8g()(7)PPy1．2流速形式向拖曳力形式轉(zhuǎn)換式(6)右邊各變量均為已知，因此筆者將A作為過程參數(shù)之泥沙起動流速形式的水沙參數(shù)主要有平均流速、沙粒中一徑、沙粒和液體容重(或密度)、水力半徑(或水深)、液體運動，可利用式(7)計算得到。由該過程參數(shù)得到摩阻流速計算式為黏滯系數(shù)。該互化方式可解決上述水沙參數(shù)下的摩阻流速、希爾茲數(shù)和沙粒雷
8、諾數(shù)的轉(zhuǎn)換問題。
9、fo
10、P8(8)由起動流速條件下平均流速、水力半徑(或水深)、運動黏滯系數(shù)、沙粒中徑等參數(shù)，可計算得到水流雷諾數(shù)和相對粗將式(8)代人。：，利用過程參數(shù)擴A，即可以求得糙度：試驗條件時的水流黏性系數(shù)：Re：：=(19)一==√，＼／丁c9等d=dd=一4dR(一20)由式(9)得到第二個過程參數(shù)：利用式(11)迭
