试验段边界的确定

4.3　试验段边界的确定

4.3.1　试验水槽内明渠均匀紊流的形成

试验表明光滑壁面和粗糙壁面的明槽流动沿程有5个发展过程^[119]，即层流边界层、层流边界层向紊流边界层转捩、紊流边界层流动、充分发展的紊流边界层流动和明槽均匀紊流，如图4.4所示。

在层流边界层流动阶段，断面时均流速分布符合Blaius平板边界层精确解，如图4.5所示，在边界层外部流动仍为势流流动。随着水流方向距离的增加，流速分布逐渐偏离边界层的精确解，经过转捩区在Re增加到一定程度后，明槽流动发展为紊流边界层流动^[120]。

层流边界层的形状参数可用式（4.2）表达：

式中　H₁₂——形状参数；

　δ₁——位移厚度；

　δ₂——动量厚度。

图4.4　均匀紊流的形成过程

图4.5　明槽水流流速分布

图4.6　形状参数H₁₂与雷诺数Re的关系

从图4.6可以看出，层流边界层时H₁₂为2.6，而在紊流边界层时为1.4。说明紊流边界层的厚度增长不及平板紊流边界层快^[120]。

当边界层厚度达到自由水面后，水流发展至充分发展的紊流边界层后，还要有一段距离进行流速调整，才能形成明渠均匀紊流（各水力要素不再沿程变化）。从进口到均匀紊流形成断面的长度称为进口段长度^[122]。在光滑明渠，董曾南测量进口段长度为（78～87）H，与亚林^[47]的结果（66H）相近。

粗糙床面的明渠水流进口段分为3个阶段，见表4.2。

①紊流边界层流动，X/H一般在20左右。

②充分发展的紊流边界层流动（调整段），其边界层厚度发展至水面，全断面为紊流边界层，流速分布沿程进一步调整，X/H为20～50。

③均匀紊流阶段，所有流动要素不再沿程变化，该处为主要试验段，X/H＞50。

表4.2　进口段流程分区界限^[120]

注：X指调整段长度。

4.3.2　试验段边界

变坡水槽为粗糙壁面，由于设计最大水深为0.2 m，进口段长度至少为10 m，本设计确定为12 m，如图4.7所示。

由于水槽比降在0.5%～2.5%，出口不控制，采用自由跌落的方法。根据试验结果，出口段长度为^[118]：

式中　L——出口段长度。

试验水槽出口段长度确定为3 m，远超过式（4.3）的要求。

为了保持试验段的上下糙率一样，进口段和出口段的底坡由粗糙板组成。粗糙板制作工艺如下：

图4.7　试验段示意图

①制作0.97 m×0.97 m×0.05 m的钢模。

②将水泥和沙按1∶1的配合比搅拌成均匀混凝土沙浆。

③把沙浆倒入钢模内，厚度在0.03～0.04 m。

④10 min后，将中值粒径为0.1～0.2 m的卵砾石黏在沙浆表面，用玻璃板控制卵砾石表面高程，保证卵砾石颗粒表面在同一水平面。

⑤总共预制17块粗糙板。