复合河道中洪泛平原的动量吸引

摘要

大多数天然河流都有泛滥平原，它们以平缓的坡度或一系列梯田的形式从主要河道向外横向延伸。在某些情况下，为了在洪水泛滥时增加输水能力，以及在一年中的其他时间提供休闲用地[1]，有意形成多级渠道。因此，典型的两级河道由主河道和洪泛平原组成，主河道在任何时候都有流量，而洪泛平原在大部分时间都是干燥的，但在洪水时期发挥着重要作用。由于防洪方案是许多工程工作的重点，因此预测这些渠道的通过能力、速度分布和边界剪应力分布显然很重要。边界剪应力分布是堤防和输沙研究的前提。在两级或复合河道中，这些参数的预测由于发生在剪切层中的横向动量交换而变得复杂，剪切层通常是在主河道中快速移动的水和泛洪平原上缓慢移动的水之间形成的。高横向剪切对床生湍流和纵向二次流结构的叠加是流体力学中一个有趣的问题。在有泛滥平原的河道中，由于断面的复杂几何形状和边界粗糙度[2]的非均匀性，即使是中等直的河道，问题通常也会进一步复杂化。

关键字

主航道、冲积平原、疏浚、护岸。

简介

复合河道是由主河道和漫滩河道组成的水力断面。主通道的下部是水平的部分，一般有矩形或梯形截面。这一段，通过了河流中典型的径流和基流。相比之下，泛洪平原河道是由楼层高度高于主河道的地段组成，位于主河道的一侧或两侧[5]。这一段通常在水流传递中没有作用，在洪水条件下才起作用。一般情况下，其水力粗糙度远大于主河道。根据上述定义，复合断面、水力断面是冲积平原许多河流的典型特征。这就是他长期以来是人类生命和文明的摇篮。某些几何条件导致复合水位是特定的水力条件，需要在这些部分进行特殊的论证。特殊几何形状的断面与主河道和泛洪平原粗糙度的显著差异相结合，这条河道的以下断面之间的差异是立即可见的。这种速度和深度的不同相互作用又导致了截面间能量角度的边界区形成，在这一区域内内应力的交换将造成显著的能量损失。另外，从另一个角度看，引人注目的速度梯度之间的张力水平之间的内部剪切流动是在以下部分除床和壁面剪切应力是通道。它通常被称为表观剪应力。 Regular or irregular channel as to what is considered to be low in energy or longitudinal friction mostly due to the action involved with the channel bed and the solid wall. However, the friction factor and low power portion of the longitudinal the compound channels are included and the corresponding effects on the inner sections cannot be ignored [3.]。

主要的分异阶段与常规的和典型的相同现象的部分也因此使用常规的水力关系与常规的渠道，复合渠道，结合显着的错误发生率。

因此，几十年前就开始了对这些部分的水力研究，一直持续到今天。回顾边界剪应力不仅对泥沙输运和海岸保护具有重要意义，而且可以通过对比主河道和洪泛平原的复合断面，推断横向动量传递现象的性质及其对边界剪应力分布的影响，以及所使用的水力特性[7]。

研究背景

主题讨论与动量传递接近的剪应力和剪切力问题范围，对这一问题的研究直接和间接形成的越多，就会参考Sellin [14]。他开发了一种技术，用于获取机制和性质的信息，现象可以用来交换动量。他在铝粉的表面上用一个复合通道展开，并用一个安装在水面上方的相机拍摄并拍摄出了表面图案。为了提高摄像机下的精度和速度，在主河道和漫滩河道交界处以相同的二次流平均速度进行了移动。田井和河原[15]采用了类似的技术来计算动量在通道宽度和长度上的传递。计算了在沿海河道中采用氢气气泡技术的流量。

Zheleznyakov [16]在他对复合对称截面的研究中，由主要通道组成的部分几何泛滥平原被双方所包围，他也做了同样的研究。他了解到浅水漫滩主河道的平均流速和位置都会受到损失。但主河道与漫滩交界处的局部流速同时增大。他还在随后的文章和复合部分中引入了一个关键因素，即主要河道深度与洪泛区河道深度的关系后来称为有效深度[13]。第一象限是在主断面河道和宽漫滩上进行的实验，后一象限是在主断面河道和宽平坦漫滩上进行的实验，结果达到了对数垂直流速分布。迈尔和埃尔萨维[10]研究了对称和非对称通道中的剪应力分布。他们指出，横向动量传递大大降低了主河道的剪应力，增加了洪泛平原的剪应力。冲积平原与主断面之间的动量传递归结为剪应力参数。Dimetrio和Knight [7]施加剪切力得到剪切应力。横向动量象限对漫滩与主河道间动量传递的影响，取得了显著的效果。他们还面临两种类型的垂直和水平剪应力进行了检查。波西(11]提出了一种不同的计算复合截面流量的方法。在计算每个给定的放电后，将截面划分为更小的截面，他们发现总放电是由不同的截面放电得到的。最后，他们发现他们的结果中的任何错误都是指不考虑主要部分和洪泛平原之间的动量传递。他们还发现，在高横向动量传递模式下，与常规通道相比，降低了堤岸的满流量和流量。他们研究了主河道和漫滩之间几种假设相互作用的表观剪应力。他们还引入了一个指标，因此认为这一效果的重要指标小于2。

流行的理论

在湍流中由于湍流流动的速度在三个方向上的波动而产生的应力也称为视切应力。

关于x的连续性和动量方程我们有:

(1）

（2）

,ρ_是水的密度，g是重力加速度，s是水道斜率，τ_yxτ_zx沿x轴的剪应力，分别是zx和yx。动量方程可以写成:

(3)

剪切应力的测量方法可分为直接法和间接法[12]。在测量剪应力的各种方法中，普雷斯顿管可以称为最常用的测量剪应力的方法。剪切应力的计算采用以下公式进行计算，并从表观剪应力或动量传递中得到帮助，

(4)

普雷斯顿管实际上是由普雷斯顿改进的皮托管。12]来测量间接展开并放置在壁面或床上的剪应力。

其主要缺点一方面是计算时间长，另一方面是其计算误差高的性质，由于计算误差大而不能对粗糙的床身负责。由于在粗糙的床层中由于碰撞在边界层中而没有在普雷斯顿管中进入适当的位置，普雷斯顿的抽提数并不可靠。在本研究中，采用了阻力和动量吸收技术测量的应力。在这种方法中，使用各种功率计，包括动态测压元件，记录水下物体上的流体拖曳力。法特希·莫加达姆和科文[6Kouwen和Fathi Moghadam [8]使用这种技术来测量植被元素所使用的流体的动量和阻力。由于该方法与能量法相比，测量是在一个点上完成的，测量误差小得多，矢量数据的精度也比其他方法高。在本研究中，这种测量通道粗糙度所产生的动量和摩擦力的方法将用于地板和墙壁。为了激发剪切应力在本研究中采用了四种不同类型的粗糙度大小，这将被详细讨论。

量纲分析:对于直接河道和水流平稳、稳定、均匀、无面波运动和河床荷载的情况，影响剪应力的参数为:

传感器的布置为KEF水槽流动起始处动荷载惯量，实验前是向一些稍有坡度的通道布置，坡度参数忽略不计。因此，确定剪力墙和楼板平均速度的有效因素可表示为:

(5)

利用白金汉定理可以将上述方程转化为几个无量纲参数的关系。将这三个变量，ρ，V,Y，并与其他参数和变量重复组合，按照以下关系来估计总平均剪切速度，平均速度和平均床层剪力墙剪切速度:

(6)

(7)

由于试验将完全在湍流中进行。对雷诺数的判断情况将推迟到以后的实验。然而，该参数被省略，因为在粘胶前允许有低床面粗糙度的粗糙条件。

测试参数:

为了获得充分和可靠的数据，并在考虑了各种来源后，任命对下列参数进行审查。

作为表1其中β为相对深度参数，是将浅层漫滩深度除以主河道深度的结果。由于0.5以上一直被忽视的是，高于它的复合河道实际上是没有任何水力平均值的。而主河道，会在河道中间运行如矩形孔洞。如前所述，在所有实验中，主河道和漫滩内的地面都是固定的。而主河道和漫滩的高度在6厘米、9厘米、12厘米和15厘米这四种不同的尺寸上会发生变化。另一种测试方法是测量剪切应力激发吸收的粗糙度特征，以显示粗糙地面的动量，这比其他使用的方法几乎无能为力。

材料与方法

如前所述，本研究采用动量吸收技术测量由矩形截面组成的主河道与漫滩之间的剪应力和动量传递。施加在河床和壁面上的动量测量，对Fathi-Moghadam提出的方法的更改[6]作为工作台刀口，并在水槽刀口下开发了一种新方法。试验在净宽80 cm、深550 cm、长8.3 m的水槽中进行，其中上游河道4.1 m，水槽仪表刀口(量程)，下游河道3.2 m。控制下游水位和宽深比的不同条件下，在主河道和洪泛平原的泄洪过程中，在水槽的末端有一个阀门进行预鼻。传感器的总应力将用于测量动载荷。测量功率变换器的动态负载。该工具用于连接通道的移动部分和固定部分，并记录在移动通道的墙壁和地板上的摩擦力变化。请注意，用于校准的这些设备都使用不同的重量。

在本研究中，将通道转化为矩形，矩形通道中引起纵向动量在流动方向上的所有必要力都可以是粗糙体，并测试了在100多个读数状态下的粗糙地板。测试了112例不同模式的通道。然后，计算了复合通道中纵向动量测量值为7 / share的矩形通道读数，并比较了复合通道中直接测量动量的大小，分别从横向动量传递和表观剪应力的性质中减去它们。

值得注意的是，在矩形通道实验中，粗糙度大小分别为1.31、4.6、9.36和12.5 mm的粗床模式和粗壁模式的粗糙度分别为不同深度的复合通道。然后，对复合通道进行四种不同的测试，即主通道的高度尺寸分别为6、9、12和15 cm，在不同深度的粗糙度高度下分别进行了四种状态的测试。然后，如前所述，对比矩形模式和复合模式，研究主河道与漫滩之间的动量传递及其变化规律。

结果与讨论

经过各种试验，假设如下:

水槽床和壁面剪应力分布在水槽中心对称轴上的研究成果在实践中的运用和应用，是足够大尺度的模拟，假定是充分发展的通道流动。在表面上测量的纵向位置的变化不会导致摩擦系数的变化。从…中可以看出数字2来5横轴为视剪切力% ASF的百分比，纵轴为β为相对深度。在数字2对于所有四种类型的壁面粗糙度和6厘米的高度均显示在主通道中。

(8)

(9)

图3主通道的墙体高度为9厘米及以上数字4而且5分别用于12厘米和15厘米高的主通道。

根据图2可以得出，在所有不同的粗糙度下，导致相对深度高的浅漫滩河道上发生的横向动量传递非常少。但在相对深度较低时，横向动量转移较多，直到在β=0.25时，横向动量转移的最高百分比发生在所有落点的粗糙度中。原因是，在上面的深度，复合通道实际上正在失去它们的性质，而主通道就像矩形通道地板上的一个洞，这是重要的注意图2结果表明，随着粗糙度尺寸的增大，横向动量传递量对纵向动量的传递量增加，因此大部分传递的表观剪切力(动量传递)约为10%，颗粒尺寸为12.5 mm。结果表明，在浅层(h = 6)，动量传递到颗粒尺寸1.31和4.6 mm的差异不大。在这种情况下，给定很宽的动量传递范围不同的粗糙度(从1%到10%)。根据图3，对应的情况(h = 9cm)为粗糙度，相对深度高，导致洪泛滩河道深度高。在相对深度越低时，横向动量转移越明显，直至β=0.2时，所有落点的粗糙度中横向动量转移比例最高。大部分传递的表观剪切力(动量传递)约为12.5%，颗粒尺寸为12.5 mm。可以看到，增加主通道的壁高，与之前的模式相比，表面粗糙度之间的分离更低的剪切力值(1.31和4.6 mm尺寸)将出现。在这种情况下，不同粗糙度的动量传递范围(从3%到10%)。在图4可以发现在状态下，(h = 12cm)高相对深度各有不同的粗糙度，这就造成了高深度漫滩河道的存在。横向动量传递最小，但在相对深度较低时，横向动量传递较多，直到β=0.25时，横向动量传递在所有落点的粗糙度中所占百分比最高。在这种情况下，大部分传递的表观剪切力(动量传递)约为14%，颗粒尺寸为12.5 mm。在图5，对应的最大壁面高度是主要通道横向动量传递最多的地方，粗糙度为9.36 mm排在第三位，在这种情况下动量传递的范围可以从2%到15%。需要注意的是，粗糙度12.5 mm的最大动量转移发生在β=0.25，粗糙度12.5 mm的最大动量转移发生在β=0.2。所有状态下的总剪力和所有相对粗糙度随深度的增加而增加，这在数据6而且7，8而且9．需要注意的是，在(h = 15)范围内，最大剪应力发生在9牛顿的1到9之间，最大粗糙度约为12.5 mm。剪力对应的最小范围(h = 6)是其值在0.5 ~ 3.5之间的牛顿。

随着数据6来9β=0.5后剪力随坡度增大而增大。，at the high depth of floodplain the characteristics of compound channel were reduced. Despite the apparent shear force that decreases with increasing relative depth can be found that the shear force will increase with increasing relative depth.

总的来说，这些研究结果可以总结如下:

表观剪切力(横向动量传递)的变化是相对深度比值β=0.25的增大，相对深度比值β=0.2的减小，以下各节的复合表观剪切力(横向动量传递)减小。

在β=0.25和β=0.2时，通常出现大部分的表观剪切力(动量传递交叉)。这意味着泛滥平原的水流，减缓了主河道的水流运动，或者说主河道的水流取代了泛滥平原的水流，这在河流和海岸工程和组织中是非常重要的。将考虑在β=0.5时，洪泛区的水深正好等于主河道壁高，因此在河流和天然水道的复合断面中，关于可能由于河道水深脱水的情况，洪泛区很少受到更多的关注，因为这可能会增加表观剪切力，从而产生二次涡旋，从而导致海岸侵蚀和退化。

相对深度大于β= 0.5的复合段失去了复合段的特性，且不符合复合段的液压流道流动规律。表观粗糙度内剪切力越大，平均粒径越大。同时，主通道壁高越大，表观剪力也越大。最大框架速率的剪力变化发生在主通道壁的最低高度。说明在河流和沿海工程的经济论证中，对疏浚河流的重要性进行了重要的论述，使之一目了然。

在h = 12cm处总剪力的陡增比其他状态要差得多，说明在主通道高度处，相对深度处剪力速率增加的总体趋势较快。

确认

作者要感谢阿瓦兹Chamran大学，灌溉和排水网络运营管理卓越中心，为实验提供财政支持和便利。

参考文献

1. Abril JB, Knight DW。基于深度平均模型的河流汛期流量预测。液压学报2004;42(6): 616 - 629。
2. 陈建平。1991，直形复合河道水力设计。SR报告281,HR Wallingford，英国，第1卷和第2卷，pp 1-130和1-140。
3. 两级通道的水力设计。水、海洋和能源学报，1992;96:247-257。
4. 直两级通道的流动公式。中国机械工程学报，2000,27(4):357 - 357。
5. 阿拉维五世，朱维洪。1985，浅层复合通道湍流交换流。第21届IAHR大会论文集，墨尔本。第3卷，第446页
6. 王志强，王志强，王志强，等。漫滩非刚性、非淹没植被粗糙度研究。水利工程学报，2001;26(1)，37 - 37。
7. 骑士DW, Demetriou JD, Homed ME。光滑矩形通道中的边界剪切。农业水利110(4)，405-422凹岸。液压学报。1984;12:1323-1338。
8. 李国强，李国强。河流沿线针叶树的摩擦因子研究。液压工程ASCE。2000, 126(10): 732 - 740。
9. 刘志刚，王志刚，王志刚，王志刚。光滑通道边界剪切应力的研究进展。食品农业环境学报，2010;8(1):132-136。
10. 麦尔斯，李文杰，洪平原河道的边界剪切，水利工程学报。第3期。1975; 101:933 - 946
11. 波西CJ。包括溢流在内的流量计算。土木工程。第3期。1963:62 - 63
12. 普雷斯顿JH。用皮托管法测定湍流表面摩擦。英国皇家航空学会，1954;1554:109-121
13. Rajaratnam N, Ahmadi RM。主河道与泛洪平原水流的相互作用，水力学分部。第3期。1979; 105:573 - 588
14. 塞林上校RH。河道内水流与泛滥平原上水流相互作用的实验室研究，La Houille Blanche，格勒诺布尔，1964年7月，第793-802页。
15. 刘国强，刘国强，刘国强。复合材料截面流动阻力规律的研究，第3届世界物理学会年会，1982,pp.42-51
16. Zheleznyakov问。河道与漫滩河流的相互作用。国际水利研究协会会议论文集。1971; 5:144 - 148。