特性
在二維均勻流中,水流由於受到來自底部紊動渦體的作用,時均流速沿水深的分布是不均勻的,水面附近流速較大,河底附近流速較小,由河底向水面分成直線層、過渡層、對數區和外層區 。
直線層
也稱黏性底層,該層內流動為層流,只有黏滯切應力,流速分布成直線變化,計算公式為(1)
式中,u為距河底y處的點流速;,為摩阻流速;h為水深;J為能坡;g為重力加速度。直線層範圍是。
過渡層
該層流動由層流向紊流過渡,黏滯切應力與紊動切應力同時存在,流速分布由直線變化向對數曲線變化規律過渡,無統一計算公式,近似按直線層或對數區公式計算 。
對數區
該區的流動是紊流,以紊動切應力為主,流速分布呈對數曲線規律,一般公式形式為 (2)
式中,A和B是係數,與床面粗糙情況有關,通過實際資料確定,如愛因斯坦(H.A.Einstein)根據坎利根(G.H.Kenlegan)的分析提出的計算公式為
式中,
為床面粗糙高度,可取床沙代表粒徑;x為反映對流速分布實際影響的係數,與值有關,為近壁層流層的厚度。直線層、過渡層和對數區合稱為內層區,區內流速分布主要受床面的影響 。
外層區
該區內流動仍屬紊流,但流速分布除受床面的影響外,還要受到上游來流條件和上部邊界條件的影響,因而其分布規律偏離對數曲線而有一流速增值,公式的一般形式為
式中,為尾跡強度係數;k為卡門常數;ω為函式符號,尚無理論解,只有一些近似假設;和k通過實測資料確定 。
實際套用
在實際工作中,通常將對數區的流速分布公式推廣到全部水深,根據全部水深上的流速分布資料來確定對數流速分布公式中的係數,再將對數流速分布公式用到全部水深上去。這樣做有一定近似,但從實用觀點看已基本滿足要求。
在寬深比不大(,b為河寬,h為水深)的河槽中,斷面上任一點的水流不僅受到來自河底紊動渦體的作用,還同時受到來自河岸紊動渦體的作用。縱向流速不僅沿水深變化,沿斷面橫向分布也是不均勻的,接近河岸的垂線與河心的垂線流速分布相差較大,岸邊垂線的最大流速往往不在水面上。河槽過於窄深時,河中心垂線的最大流速也不在水面。
在挾沙水流中,泥沙顆粒的存在對水流紊動結構有一定影響,因而其流速分布與清水水流也有所不同 。