1、明渠紊流的猝发现象目录猝发猝发现象现象明渠紊流明渠紊流猝发现象猝发现象23紊流紊流1紊流紊流1紊流定义及其特性紊流紊流是一种不规则的流动状态，其流动参数随时间和空间是一种不规则的流动状态，其流动参数随时间和空间作随机变化，因而其本质上是三维非定常流动，且流动空作随机变化，因而其本质上是三维非定常流动，且流动空间分布着无数大小、形状各不相同的漩涡间分布着无数大小、形状各不相同的漩涡。1.随机性2.扩散性3.有旋性、三维性.4.大雷诺数性质5.耗散性主要特征6.连续性7.相关性8.间歇性9.拟序性猝发现象猝发现象2猝发现象u流动稳定性理论主要研究可能发生的流动条件而并未涉及流动稳定性理论主要研究可
2、能发生的流动条件而并未涉及紊流发生的物理过程。紊流发生的物理过程。u猝发现象则是紊流得以发生和赖以维持的物理过程。猝发现象则是紊流得以发生和赖以维持的物理过程。u在流动稳定的情况下，即使产生明显的扰动，也将被衰减，在流动稳定的情况下，即使产生明显的扰动，也将被衰减，因而流动型态并不会从层流转变为紊流。因而流动型态并不会从层流转变为紊流。u一旦流动失去稳定，在壁面边界层流动中，猝发现象将导一旦流动失去稳定，在壁面边界层流动中，猝发现象将导致层流到紊流的转变，并提供维持紊流运动所需要的大部分致层流到紊流的转变，并提供维持紊流运动所需要的大部分能量。能量。图图6-14表示了猝发现象的过程及各个阶段的
3、速度分布曲线表示了猝发现象的过程及各个阶段的速度分布曲线形状，图中实线为瞬时流速分布，虚线为时均流速分布形状，图中实线为瞬时流速分布，虚线为时均流速分布。马蹄涡头部的上举最终形成底部低速流体向上层高速流动区域喷射，马蹄涡头部的上举最终形成底部低速流体向上层高速流动区域喷射，喷射一般发生在喷射一般发生在y+=1030的流区。可以把相邻两个喷射之间的时间的流区。可以把相邻两个喷射之间的时间间隔作为猝发现象的周期。低速流体向上喷射将伴随上层高速流体间隔作为猝发现象的周期。低速流体向上喷射将伴随上层高速流体向下层俯冲而形成清扫。喷射和清扫都形成流体内部的剪切层，使向下层俯冲而形成清扫。喷射和清扫都形成
4、流体内部的剪切层，使断面瞬时流速呈现相当复杂的状况。断面瞬时流速呈现相当复杂的状况。图图6-15表示在表示在猝发的喷射阶猝发的喷射阶段（段（a）及清扫）及清扫阶段（阶段（b）的）的瞬时流速分布瞬时流速分布曲线。曲线。清扫过后瞬时的流速分布恢复正常，拐点消失，如图清扫过后瞬时的流速分布恢复正常，拐点消失，如图6-14所示。所示。清扫过程中的速度分布如图清扫过程中的速度分布如图6-15中曲线（中曲线（b）。由马蹄涡的形成、）。由马蹄涡的形成、发展到发生喷射和清扫，整个过程称为猝发现象。清扫过后，发展到发生喷射和清扫，整个过程称为猝发现象。清扫过后，粘性底层中重新出现低速带，开始一个新的猝发过程。粘
5、性底层中重新出现低速带，开始一个新的猝发过程。表面糙率与明渠表面糙率与明渠紊流猝发现象紊流猝发现象3u已有实验研究证明猝发现象已有实验研究证明猝发现象(bursting phenomenon)是紊流是紊流的普遍现象的普遍现象,当紊动水流的流速增大到一定程度当紊动水流的流速增大到一定程度,尽管发生的尽管发生的时间和位置尚无法精确预言时间和位置尚无法精确预言,但从高低速相间的条纹到低速但从高低速相间的条纹到低速马蹄涡摇摆抬升马蹄涡摇摆抬升,再从低速流体向外层喷射再从低速流体向外层喷射(ejection)到外层到外层高速流体向边界层内低速区俯冲清扫高速流体向边界层内低速区俯冲清扫(sweep)这一系
6、列这一系列现象会依次演变现象会依次演变.u虽然已有学者证明表面粗糙时也会发生与表面光滑时相类虽然已有学者证明表面粗糙时也会发生与表面光滑时相类似的猝发现象似的猝发现象,但对有关规律的认识很有限但对有关规律的认识很有限,十分需要深入进十分需要深入进行相关的定性分析和量化研究行相关的定性分析和量化研究.1.1 实验装置有机玻璃循环水槽壁面光滑,试验段 长 130cm,宽 14.5cm,高 12cm.采用PIV粒子图像速度场仪和氢气泡流场显示仪拍摄流场图像后进行有关分析.系列试验采用五种材料系列试验采用五种材料使水槽底部糙率相互间使水槽底部糙率相互间有数量级差异并且在较有数量级差异并且在较大范围内变
7、化大范围内变化:(1)光面有机玻璃平板光面有机玻璃平板;(2)粘贴粘贴 500 目防水砂纸目防水砂纸的有机玻璃平板的有机玻璃平板;(3)粘贴粘贴 360 目防水砂纸目防水砂纸的有机玻璃平板的有机玻璃平板;(4)粘结粘结 d50=0.5mm 树脂树脂颗粒的有机玻璃平板颗粒的有机玻璃平板;(5)粘结粘结 d50=6.0mm 塑料塑料颗粒的有机玻璃平板颗粒的有机玻璃平板.1.2 实验方案测试在水槽试验段进口下游测试在水槽试验段进口下游 95cm 处进行处进行.调整水泵电机频率使调整水泵电机频率使断面雷诺数断面雷诺数 ReR 在在6050至至9240的范围内变化的范围内变化,相应的摩阻流速相应的摩阻流
8、速 U*的变化范围是的变化范围是 0.005 0.020m/s;表面粗糙雷诺数表面粗糙雷诺数 Re 的变化范的变化范围是围是 0.082 至至 105.有关参数的定义和计算公式有关参数的定义和计算公式:ReR=RV/Re =U*/系列试验的近壁区流态分别为明渠水流的光滑区、过渡区和粗糙系列试验的近壁区流态分别为明渠水流的光滑区、过渡区和粗糙区区,由于小型明槽壁面光滑时断面形状对谢才系数由于小型明槽壁面光滑时断面形状对谢才系数 C 的影响可略的影响可略,故采用光滑圆管模式估算光滑区的断面平均流速故采用光滑圆管模式估算光滑区的断面平均流速;过渡区和粗糙过渡区和粗糙区的估算公分别采用区的估算公分别采
9、用:V=U*(5.75lg(2RU*)+1.75)V=-5.6569U*lg(0.083 R+2.21x10-6(U*R)V=U*(5.75lg(H )+6.25)其中:R 为断面水力半径,单位为 m；为水体的运动粘滞系数,单位为 m2/s;为表面粗糙的凸起高度,单位为 m;U*为摩阻流速;H 为水深,单位为m。2 流场综合分析法u紊流猝发现象借助于流动显示才逐渐被人们所认识。过去广泛紊流猝发现象借助于流动显示才逐渐被人们所认识。过去广泛采用条件采样技术采用条件采样技术,特别是象限法来检测猝发现象的发生特别是象限法来检测猝发现象的发生.但单但单纯的流动显示法和着眼于分析点量测数据的条件采样法均
10、有局限纯的流动显示法和着眼于分析点量测数据的条件采样法均有局限性性.由于紊流拟序结构本身是场现象由于紊流拟序结构本身是场现象,宜着眼于流场分析将流动显宜着眼于流场分析将流动显示与计算机图像处理相结合示与计算机图像处理相结合.流场综合分析法是充分利用流场综合分析法是充分利用 PIV 粒粒子图像速度场仪和流动显示功能对猝发现象进行全面综合场分析子图像速度场仪和流动显示功能对猝发现象进行全面综合场分析.u在观测部位上游设置直径约为在观测部位上游设置直径约为 0.01mm 的细铂金丝为负电极的细铂金丝为负电极,直流电脉冲电解水体直流电脉冲电解水体,沿铂金丝形成极为细小的氢气泡沿铂金丝形成极为细小的氢气
11、泡.由于直流由于直流电脉冲产生的氢气泡直径仅电脉冲产生的氢气泡直径仅 0.1mm,对流场干扰较小对流场干扰较小,氢气泡氢气泡“云团云团”能够很好地跟随流体运动能够很好地跟随流体运动,适宜作为研究猝发现象的流适宜作为研究猝发现象的流动示踪物动示踪物.2 流场综合分析法u采用采用 TSI 公司的公司的 PIV 粒子图像速度场仪粒子图像速度场仪.由两个激光发生器各自由两个激光发生器各自发出系列脉冲片状激光照射流场发出系列脉冲片状激光照射流场,脉冲间歇时间为脉冲间歇时间为 1/15s;工作时工作时两个激光发生器相应地先后发出激光照射时它们的时间间隔极短两个激光发生器相应地先后发出激光照射时它们的时间间
12、隔极短,为为1/5000s;照相机在两个激光发生器工作时同步连续拍照照相机在两个激光发生器工作时同步连续拍照.照相照相机的有效拍照范围为机的有效拍照范围为 8080mm;由于片状激光的厚度仅由于片状激光的厚度仅 1mm,对对两幅由不同激光照射而时间间隔仅为两幅由不同激光照射而时间间隔仅为 1/5000s 的照片进行相关分的照片进行相关分析可获得高精度的流速矢场图析可获得高精度的流速矢场图,并可进行瞬时流速分析计算。并可进行瞬时流速分析计算。3.1猝发形态成果分析 实验结果表明实验结果表明,若表面粗糙度不大若表面粗糙度不大,当粗糙雷诺数当粗糙雷诺数 Re 值较小时可清楚值较小时可清楚地观测到单个
13、喷射和清扫现象地观测到单个喷射和清扫现象(参见参见上图上图),群体喷射较少群体喷射较少;当当 Re 值较大时值较大时,喷喷射呈显多头群体喷发趋势射呈显多头群体喷发趋势(参见图参见图 3a).随着表面粗糙随着表面粗糙度增大度增大,即使即使 Re 值不大值不大单喷也在减少单喷也在减少,而群体喷发而群体喷发增加增加.Re 增加后增加后,主流区主流区的平均动能和床面附近的的平均动能和床面附近的紊动动能都在增加紊动动能都在增加,喷发密喷发密度明显增加度明显增加;清扫射流遭清扫射流遭遇到多次喷发形成的遇到多次喷发形成的“喷喷射垫层射垫层”的抵抗的抵抗,常常不能常常不能一次性地迅速清扫床面区一次性地迅速清扫
14、床面区域域,需持续清扫需持续清扫;Re 值显值显著增加后著增加后,喷射在清扫时喷射在清扫时也常发生也常发生(参见图参见图 3c)试验表明相对于水深试验表明相对于水深 H 的的“喷射垫层相对厚喷射垫层相对厚度度 ”随粗糙雷诺数随粗糙雷诺数 Re 有增加趋势有增加趋势,由水深由水深的的 1/20 达到达到 1/10(参参见图见图 4).3.2猝发周期Tb定义无量纲猝发周期定义无量纲猝发周期 Tb 为为:Tb=T U*/H 由图可见当由图可见当 Re 5 时猝发时猝发周期周期 Tb增值较多增值较多,达到达到 0.0706.其原因是随着其原因是随着粗糙雷诺数粗糙雷诺数 Re 的增的增加加,猝发呈多头喷
15、发态猝发呈多头喷发态势势,清扫与喷发相持时清扫与喷发相持时间延长导致猝发周期间延长导致猝发周期 Tb 加大加大.在在 Re 增加增加到一定程度到一定程度,原较清晰原较清晰的紊流猝发周期变得的紊流猝发周期变得较为模糊较为模糊.3.3喷射角?与相对喷射高度 相对喷射高度：相对喷射高度：=ymax/H 由图可见由图可见,随着粗糙雷诺数随着粗糙雷诺数 Re 的增加的增加,相对喷射相对喷射高度高度 有逐渐增加的趋势有逐渐增加的趋势,约可达到约可达到1/8断面水深断面水深;而最大喷射角而最大喷射角?的变化范围较大的变化范围较大,约为约为 35 75,当粗糙雷诺数当粗糙雷诺数 Re 增大时边界层内紊动加大使
16、得增大时边界层内紊动加大使得喷射角有加大的趋势喷射角有加大的趋势.3.4喷射尺度 Le+与清扫尺度 Ls+定义无量纲喷射尺度定义无量纲喷射尺度 Le+与清扫尺度与清扫尺度 Ls+为为:Le+=Le U*/Ls+=Ls U*/实验表明实验表明,随着雷诺数随着雷诺数Re 的增大的增大,喷射范围和清扫范围均有增大趋势喷射范围和清扫范围均有增大趋势;清扫范围明显大于喷射范围清扫范围明显大于喷射范围,但清扫但清扫范围尚不到喷射范围的范围尚不到喷射范围的 2 倍倍.3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图图10 为为NXF10/036A 时多头群喷照片及时多头群喷照片及其流速矢量场图其流速矢量场图
17、.计计算分析表明算分析表明,在发生在发生喷射部位边界层近喷射部位边界层近底流速相对较小底流速相对较小,仅仅为为 0.06m/s;左方喷左方喷射头部的流速矢量射头部的流速矢量显示了喷射流体最显示了喷射流体最大喷射速度达到大喷射速度达到 0.20m/s,是底部流速是底部流速的的 3 倍多倍多.3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图图 11 为为 NXF10/039A 清扫开清扫开始的照片及其流速矢量场图始的照片及其流速矢量场图3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图图 12 的照片和矢量场图表明的照片和矢量场图表明 Re 值较大时存在值较大时存在“喷射垫层喷射垫层”的抵抗的抵抗.
18、3.5速度矢量场分析3.5.1喷射与清扫的特点图图 13 显示显示NMF10试试验时的清扫情景验时的清扫情景,在在左方清扫区沿流向可左方清扫区沿流向可以清楚地分辨出下扫以清楚地分辨出下扫矢量与上射矢量合成矢量与上射矢量合成为水平矢量后与上射为水平矢量后与上射矢量相间分布矢量相间分布,在中在中部还可见下扫矢量部还可见下扫矢量.3.5速度矢量场分析3.5.2由单喷向群喷转变3.5速度矢量场分析3.5.3次生流促进喷射明渠横断面内的次生流在猝发明渠横断面内的次生流在猝发过程中起重要作用过程中起重要作用,它使马蹄它使马蹄涡摆动涡摆动,有利于马蹄涡抬升直有利于马蹄涡抬升直到寻找到突破口发生喷射到寻找到突
19、破口发生喷射.在图在图17 的照片中喷射处上游看不见的照片中喷射处上游看不见明显的喷射现象明显的喷射现象,由流速矢量场图可由流速矢量场图可见上游已有喷射和次生流流动见上游已有喷射和次生流流动,正是正是次生流促进了喷射次生流促进了喷射(参见图参见图 18).3.5速度矢量场分析3.5.4喷射提高水体动能 和紊动耗散率发生猝发现象时流发生猝发现象时流体被喷射到边界层体被喷射到边界层稍高部位后向四面稍高部位后向四面八方迸裂八方迸裂,最终是最终是使周围水体的动能使周围水体的动能 和紊动耗散率和紊动耗散率 明显加大明显加大.由图由图19可见床面附近水体可见床面附近水体的动能和紊动耗散的动能和紊动耗散度均
20、较低度均较低,而喷射而喷射水体附近的动能和水体附近的动能和紊动耗散度均分别紊动耗散度均分别提高了好几倍提高了好几倍.床面粗糙雷诺数床面粗糙雷诺数 Rex 对紊流拟序结构的特性有重要影响对紊流拟序结构的特性有重要影响.群喷导致了喷射垫层的形成群喷导致了喷射垫层的形成,其厚度随粗其厚度随粗糙雷诺数增大糙雷诺数增大;喷射迸发区水体动能和紊流耗散喷射迸发区水体动能和紊流耗散率较床面显著提高率较床面显著提高4 结论增大粗糙雷诺数使群喷现象增多增大粗糙雷诺数使群喷现象增多,定量分析表明定量分析表明喷射角喷射角、喷射高度、猝发周期、喷射高度、猝发周期、喷射尺度以及清、喷射尺度以及清扫尺度均趋于增大扫尺度均趋于增大.谢谢 谢谢 观观 看看
