块体形状对水流拖曳力的影响.doc

 块体形状对水流拖曳力的影响 庞启秀1 ,徐金环2 ,辛海霞3 (1 . 交通部天津水运工程科学研究所 ,天津 300456 ;2 . 河海大学交通学院 , 南京 210098 ; 3 . 天津航道局 ,天津 300450) 摘 要 :在计算块体受到的水流拖曳力时 ,常借鉴针对球体所提出的公式 ,然而它并不能客观地反映出 块体形状对拖曳力产生的影响 。文中将块体形状概化为长方体 ,通过水槽试验测量了水流作用下不同 尺度的大颗粒块体受到的水平拖曳力 ,研究了块体形状对水流拖曳力的影响 ,并提出了考虑块体形状影 响的拖曳力计算公式 。 关键词 :水平拖曳力 ;块体形状 ;水槽试验 中图分类号 : TV131 文献标识码 : A 文章编号 :1005 - 8443 (2006) 01 - 0005 - 04 淹没在水流中的物体所受到的水流作用力 ,一般分解为水平拖曳力和垂直上举力 。文献对球体或二维 圆柱体 (轴线垂直于水流方向) 受到的水平拖曳力的研究较多 ,并且给出了拖曳力计算公式 。引用 Evett 等 人1 的公式 : 1 FD = CD 2 ρA u 2 (1) 其中 : CD 为拖曳力系数 ; u 为块体的作用流速 ; A 为块体在垂直于来流方向的投影面积 。对球体或接近于 球体的泥沙 、卵石等只需一个几何尺度便可确定粒径尺寸的物体 ,采用公式 (1) 可以方便地计算出所受水平 拖曳力 。 但对偏离球体的块体而言 ,如研究碎石块2 、护床护坡块体3 ～6 、洪水淹没下的桥梁7 ～8 、抛掷水中下沉 过程中的沙袋9 ～10 等所受到的水流作用力 ,则需要有 3 个空间尺度来确定块体的尺度 。块体形状影响着拖 曳力的 2 个分量 —压强力 (水流方向上块体前后压强差作用) 和摩擦力 (水流与块体间摩擦作用) 所占的主导 作用 ,也就影响着拖曳力的大小 ,但由于研究大颗粒形状对拖曳力影响的文献较少 ,往往借鉴该公式 ,乘以某 个形状系数11 ,来计算块体所受拖曳力 ,然而它并不能客观地反映出块体形状对拖曳力产生的影响 。因此 , 需要研究拖曳力随块体形状变化关系 ,并推导考虑形状影响的拖曳力公式 。 1 块体形状对水流拖曳力影响研究现状 1 . 1 块体长高比 L / s 的影响 Hoerner12 综合了不同研究者关于长方体的拖曳力系数 CD 随长高比 L / s 变化关系的研究成果 , 表明 :在 0 L / s 2. 0 时 , 其拖曳力系数近似为定值 2. 0 ; 在 2 . 0 L / s 4. 0 时 , 系数迅速减小为 0. 9 ; 在 L / s 4 . 0 后 , 随长高比的增加 , 压强作用力系数缓慢减小 , 但由于块体长度的增加使得摩擦阻力持续增大 , 在 L / s 数 值较大 ( L / s 4 . 0) 时 ,由摩擦力和压强作用力组成的合力 (拖曳力) 系数将略微增加 。 在工程应用时常需要考虑块体的摆置方向 ,以减小水流作用力 ,增加块体稳定性 。Bellin 等3 研究溢洪 收稿日期 :2005 - 08 - 09 ; 修回日期 :2005 - 09 - 09 基金项目 :江苏省重点学科建设基金 (4021B3) 作者简介 :庞启秀 (1977 - ) , 男 , 山东潍坊人 ,硕士 ,主要从事港口 、海岸及近海工程研究 。 Biogra phy :PANG Qi2xiu (1977 - ) ,male ,master . 道护底板的稳定性 ,Coleman 等2 研究碎石床 (假定碎石的典型断面为矩形) 的冲刷问题 ,Malavasi 7 研究洪水 淹没状态下桥梁水动力荷载等 ,都得出了减小顺水流方向的块体长度 ,将减小拖曳力系数的结论 。 1 . 2 块体宽高比 b/ s 的影响 Evett 等1 直接引用 Raymond 的数据资料 ,给出块体形状雷诺数 Res = Us 1 000 时的拖曳力系数随宽高 v 比 b/ s 变化关系 , 两者呈正比 。在 b/ s = 1. 0 时 , CD = 1105 ; b/ s 趋于无穷大时 , CD = 2105 。 虽然以上文献研究了块体长高比 、宽高比对拖曳力系数的影响情况 ,但并没有综合考虑块体形状对拖曳 力的影响 ,提出综合反映这两个影响因素的计算式 。 试验开展 本次试验块体形状概化为长 ( L ) 、宽 ( b) 、高 ( s ) 的长方体 ,并通过改变块体的尺度来研究块体形状对水 流拖曳力的影响 。同时 ,由于床面对块体受力的影响 ,主要是局部流场的改变和块体 、床面间的直接作用 2 个方面13 ,