水流作用下泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告參考模板

1、水流作用下泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告0/14第一章實(shí)驗(yàn)說明1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)為配合河流動(dòng)力學(xué)中水流作用下泥沙起動(dòng)部分的教學(xué)而設(shè)置。通過實(shí)驗(yàn)希望達(dá)到以下目的：學(xué)習(xí)在水槽中通過測(cè)量流速推算床面摩阻流速和表觀糙率的方法；學(xué)習(xí)水流作用下泥沙起動(dòng)條件的測(cè)定方法，通過實(shí)際觀察泥沙的起動(dòng)過程，加深對(duì)泥沙起動(dòng)現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)；1. 通過實(shí)驗(yàn)儀器的操作，學(xué)會(huì)用螺旋流速儀測(cè)試流速的基本方法，提高動(dòng)手能力；2. 結(jié)合泥沙起動(dòng)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)，加深對(duì)泥沙起動(dòng)理論的理解；3. 提周數(shù)據(jù)整理、分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫能力。1.2實(shí)驗(yàn)要求1. 實(shí)驗(yàn)之前，預(yù)習(xí)泥沙起動(dòng)的相關(guān)理論，包括Shields理論、竇國(guó)仁公式及武水公式。2. 實(shí)驗(yàn)過程中

2、仔細(xì)觀察泥沙起動(dòng)情況，特別注意床面泥沙運(yùn)動(dòng)特征隨水流強(qiáng)度變化而變化的情況。3. 認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)過程的每個(gè)環(huán)節(jié)，包括水流速度、水深、水溫的數(shù)據(jù)采集等。認(rèn)真編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，客觀、真實(shí)地記錄實(shí)驗(yàn)過程的主要步驟，清晰表達(dá)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)，注意盡量使用圖表等表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將觀測(cè)結(jié)果與相關(guān)理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后對(duì)所取得的結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置實(shí)驗(yàn)所需儀器和設(shè)備包括白循環(huán)波流實(shí)驗(yàn)水槽、沙盤、螺旋流速儀、溫度計(jì)、鋼尺、沙樣等。1.4實(shí)驗(yàn)原理1、泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)河底泥沙在水流條件較弱時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)。隨著水流強(qiáng)度的增強(qiáng)，泥沙將出現(xiàn)一個(gè)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的突變過程，稱為泥沙起動(dòng)，而相應(yīng)泥沙起動(dòng)時(shí)的臨界水流條

3、件稱為泥沙起動(dòng)條件，可用垂向平均流速、床面摩阻流速或床面剪應(yīng)力等指標(biāo)來表征。由于水流的脈動(dòng)性、泥沙顆粒的不均勻性以及泥沙在床面上排列方式的差異等因素的影響，泥沙起動(dòng)條件具有一定隨機(jī)性，表現(xiàn)為即使是均勻沙也不會(huì)同時(shí)進(jìn)入起動(dòng)狀態(tài)。但從統(tǒng)計(jì)角度看，泥沙起動(dòng)條件仍然具有確定性。實(shí)際泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，克雷默(H.Kramer)曾將泥沙起動(dòng)程度劃分為輕微起動(dòng)、中等強(qiáng)度泥沙起動(dòng)和普遍起動(dòng)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。輕微起動(dòng)時(shí)，床面只有屈指可數(shù)的沙粒開始起動(dòng)；中等強(qiáng)度泥沙起動(dòng)是指進(jìn)入起動(dòng)狀態(tài)的泥沙顆粒數(shù)量難以計(jì)數(shù)；而普遍起動(dòng)是指全部泥沙都進(jìn)入起動(dòng)狀態(tài)，并伴隨有床面變形。顯然，采用不同的主觀標(biāo)準(zhǔn)，得到的泥沙起動(dòng)條件也會(huì)有一定差異。

4、一般采用中等強(qiáng)度起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)建立起動(dòng)公式者居多。泥沙的起動(dòng)條件參數(shù)可以通過多種方法獲得。如，可以通過將水流調(diào)試成嚴(yán)格的均勻流，再測(cè)定起動(dòng)時(shí)的水深和水面比降，進(jìn)而用如下公式計(jì)算出床面摩阻流速。(1)u*、；gRs式中，u*為摩阻流速；g重力加速度；R水力半徑；s水面坡降。2、流速的測(cè)量測(cè)定水面坡降的方法需要精確調(diào)試均勻流，操作起來較煩瑣?？梢酝ㄟ^測(cè)定流速垂向分布的方法來間接獲得床面摩阻流速，原理如下。假定水槽底面水平情況下水流速度垂向分布近似符合對(duì)數(shù)流速律。式中,U5.75log30.2-u*ks,稱為當(dāng)量糙率。方程中含有兩個(gè)未知數(shù)U*和。根據(jù)兩個(gè)高度zi和Z2上的實(shí)測(cè)流速Ui和U2,通過聯(lián)立方程可

5、算出U*和注息:嚴(yán)格地說，上述平底得到的水流運(yùn)動(dòng)并非真正的明渠均勻流，而是屬于射流，因此，該方法是一種近似方法。(2)由于對(duì)數(shù)流速律僅在底部0.2h范圍的對(duì)數(shù)流速區(qū)30500內(nèi)遵循對(duì)數(shù)流速律，故在聯(lián)立求解摩阻流速和當(dāng)量糙LUUk率時(shí)，應(yīng)盡量將測(cè)試點(diǎn)選在該范圍內(nèi)。為了檢驗(yàn)實(shí)測(cè)流速是否符合對(duì)數(shù)流速律，應(yīng)將實(shí)測(cè)流速結(jié)果繪在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下進(jìn)行檢驗(yàn)(圖1)。圖1對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的實(shí)測(cè)對(duì)數(shù)流速為了提高計(jì)算精度，除了保證所用實(shí)測(cè)流速點(diǎn)嚴(yán)格位于對(duì)u*數(shù)流速區(qū)*z迫，還應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，反算出多個(gè)摩阻流速和表觀糙率后進(jìn)行平均。建議在對(duì)數(shù)流速區(qū)內(nèi)至少設(shè)置五個(gè)流速測(cè)點(diǎn)斷面平均流速可以采用五點(diǎn)流速測(cè)試法（圖2）,用五點(diǎn)流速加權(quán)平

6、均計(jì)算平均流速的公式為,1Uu0.034).234).62Md.8104.0(3)式中，U0.0、U0.2、U0.6、U0.8和Ui.0分別為水面、水深為0.2h、0.6h、0.8h以及水底處的流速圖2五點(diǎn)法測(cè)定平均流速測(cè)點(diǎn)位置示意圖3、觀測(cè)結(jié)果的分析泥沙的臨界起動(dòng)水流條件可以通過前人的理論成果算出，如Shields理論、竇國(guó)仁公式和武水公式等。由Shields公式可計(jì)算臨界摩阻流速U*c,或泥沙臨界起動(dòng)床面切應(yīng)力c；由竇國(guó)仁公式或武水張瑞謹(jǐn)公式可計(jì)算臨界斷面平均流速Uc。理論上，由泥沙起動(dòng)公式計(jì)算得到的臨界起動(dòng)條件與實(shí)測(cè)臨界起動(dòng)條件應(yīng)該一致。請(qǐng)將白己實(shí)測(cè)的結(jié)果點(diǎn)繪到Shields圖上，亦可直

7、接將實(shí)測(cè)結(jié)果與起動(dòng)流速公式圖3Shields曲線圖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果與前人結(jié)果的符合程度第二章實(shí)驗(yàn)操作步驟與實(shí)施2.1實(shí)驗(yàn)步驟1. 認(rèn)識(shí)并熟悉實(shí)驗(yàn)裝置（包括螺旋流速儀、實(shí)驗(yàn)水槽等）。2. 將水槽調(diào)整到水平（或略傾斜），在水槽中放水到一定水深。開動(dòng)水泵，由小到大調(diào)節(jié)水槽流量。3. 觀察泥沙起動(dòng)現(xiàn)象，記錄泥沙起動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)觀察到泥沙處于臨界起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，測(cè)定水流流速和水深。注意每個(gè)測(cè)點(diǎn)流速數(shù)據(jù)應(yīng)采集三次做平均，作為該點(diǎn)的流速實(shí)測(cè)結(jié)果。4. 關(guān)閉水泵，整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)完畢。2.2測(cè)點(diǎn)選取及測(cè)量方法在實(shí)驗(yàn)過程中，選取含沙段之前的斷面進(jìn)行流速測(cè)量：1、在臨界起動(dòng)、全面起動(dòng)和沙紋形成時(shí)三種狀態(tài)下分別

8、進(jìn)行；2、以上三種狀態(tài)均選擇五個(gè)不同水深測(cè)點(diǎn)進(jìn)行，分別為0、0.2h、0.6h、0.8h、h;3、每個(gè)水深測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三次測(cè)量，流速結(jié)果分析取用其平均值。2.3實(shí)驗(yàn)描述1. 水槽中實(shí)驗(yàn)水深調(diào)整至25cm,螺旋槳測(cè)速儀上下框距離1cm。在實(shí)驗(yàn)水深范圍內(nèi)，按要求取五個(gè)測(cè)點(diǎn)，則認(rèn)為各測(cè)點(diǎn)流速分別為水深0,5cm,15cm,20cm和25cm處的流速。2. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，只有少數(shù)懸浮物質(zhì)隨著水流運(yùn)動(dòng)。加水流流速，直至沙床面大約有15%的泥沙在水流作用下做推移運(yùn)動(dòng)，此時(shí)停止加水流流速，開始依次測(cè)定選定五個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速，每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀取三個(gè)穩(wěn)定流速數(shù)據(jù)，取平均值為該測(cè)點(diǎn)的流速值。(1) 第一輪流速測(cè)定完畢

9、，繼續(xù)加流速，適當(dāng)加大一次的流速增值，直至沙床面大約有85%的大量泥沙在水流作用下做推移運(yùn)動(dòng)，此時(shí)再次停止加水流流速，開始第二輪流速測(cè)定。第二輪流速測(cè)定完畢，再次以一定增量加大流速，當(dāng)發(fā)現(xiàn)床面局部開始出現(xiàn)不明顯的沙紋時(shí)，減小每次的流速增量，直至沙床面出現(xiàn)大范圍特征明顯的成片沙紋時(shí)，不再加大流速，進(jìn)行第三輪流速測(cè)定。2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果水深條件h=0.25m,泥沙粒徑d=0.37mm。三種狀態(tài)下測(cè)速結(jié)果如下：表1臨界起動(dòng)下水流速度測(cè)量結(jié)果(單位：m/s)水深測(cè)點(diǎn)深度第一組第二組第三組00.250.250.250.2h0.260.260.260.6h0.260.260.260.8h0.240.250.2

10、4h0.180.190.2表2全面起動(dòng)下水流速度測(cè)量結(jié)果（單位：m/s）水深測(cè)點(diǎn)深度第一組第二組第三組00.310.310.310.2h0.320.320.320.6h0.320.320.320.8h0.290.30.3h0.250.240.24表3沙紋形成時(shí)水流速度測(cè)量結(jié)果（單位：m/s）水深測(cè)點(diǎn)深度第一組第二組第三組00.390.390.390.2h0.410.410.40.6h0.40.410.410.8h0.380.380.38h0.30.30.3第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析處理3.1結(jié)果計(jì)算處理1.平均流速取平均值后三種情況各測(cè)點(diǎn)速度取值列于下表:表4三種情況下測(cè)點(diǎn)平均流速（m/s）水深測(cè)點(diǎn)深

11、度臨界起動(dòng)全面起動(dòng)波紋形成00.250.310.390.2h0.260.320.4070.6h0.260.320.4070.8h0.2430.2970.38h0.190.2430.3斷面平均流速0.2490.3070.3892.實(shí)驗(yàn)分析（1）實(shí)驗(yàn)臨界希爾茲參數(shù)根據(jù)靠近底層兩個(gè)點(diǎn)（即水底和0.8h處，實(shí)測(cè)點(diǎn)z取值分別為0.01m和0.05cm）流速，根據(jù)對(duì)數(shù)流速公式：5.75log30.2-u*計(jì)算摩阻流速u*和當(dāng)量糙率。然后可得到Shields公式所需參數(shù):R*u*d*0（sr）d其中，20u*。將各計(jì)算參數(shù)結(jié)果列于下表：表5實(shí)驗(yàn)計(jì)算希爾茲相關(guān)參數(shù)u*log?R*T0T*臨界起動(dòng)0.012-3.3354.8460.3650.060全面起動(dòng)0.012-4.0544.9370.3790.062沙紋形成0.018-3.4657.3140.8320.136(2)檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果與前人結(jié)果的符合程度圖4試驗(yàn)結(jié)果與前人結(jié)果對(duì)比圖3.2