冰盖下水流垂线流速分布规律研究茅泽育】，罗昇】，赵升伟】，相鹏）岳光溪2（1.清华大学水利水电工程系，北京100084；2.清华大学热能工程系，北京100084）摘要：河道中冰盖显著改变了水流流动结构。采用农£紊流模型建立了冰盖下水流流动垂向二维数值模型；根据量纲分析理论提出了流速分布规律的影响因素；针对各种因素的不同组合进行了数值计算，并对其流动特性如最大流速点位置、冰区及床面区平均流速等进行了分析研究；对冬季封冻河道的二点测流法精度进行了理论分析。研究结果表明，冰盖下水流的纵向流速在流动核心区并不遵循对数分布规律，同时揭示了冰盖底部与河床的相对粗糙比、河床相对粗糙度及雷诺数对流速分布规律的影响。关键词：封冻河道；流速分布规律；紊流模型；数值计算；流动特性：P332.8文献标识码：A：1001-6791（2006）02-0209-07河道中冰盖存在将显著改变水流流动结构，附加固壁不仅增加流动阻力，导致水深增加及流速减小，而且流速分布规律也与明流河道不同目前常采用H.A.Einstein提出的按阻力划分过流断面的方法研究封冻河道水流流动特性，以最大流速线（点）将流动沿水深方向分成两层等效明流流动层（冰盖区和床面区），假定上下两层互不影响（两个独立断面分区），分别只受冰盖底部和床面粗糙影响，每层为对数分布。一些室内试验及现场观测结果表明，在流动核心部分的流速分布相当均匀，最大流速点位置很难准确确定，流速分布在最大流速点处出现间断，分区流速并不完全相等"⑵。尽管由于条件限制，这些研究并不系统、完全，但对上述分区法提出了怀疑。对于二维明渠紊流，若流速为对数分布，则紊动粘性系数及紊动扩散系数沿水深为抛物线分布，中间水深处达到最大，床底及水面为零〔34。因此，若采用分层方法，紊动粘性系数在最大流速处为零，意味着在最大流速点附近没有动量或质量交换（无紊动）。显然，两层流动之间并不能截然分开[抑。此外，正确确定冬季结冰河道流量对于研究冰盖、冰塞及冰坝的形成和动态演变，防止或减少冰害生成具有重要的意义。冰情导致敞流期的水位~流量关系的改变。目前国内外大多采用与明流测流法相类似的二点法。尽管这一测流方法来自于一些实测资料，但并没有任何理论根据。本文应用农€素流模型建立了冰盖流立面二维数值模型，并对其流速分布规律进行了数值试验；对各种影响因素进行了理论分析；对常用的冬季测流方法进行了分析。1控制方程如图1（a）所示，与为沿流向坐标，y为铅垂方向坐标（与水深方向相反）。对于冰盖下恒定二维流动，假设流动主要沿％方向，忽略沿4方向高阶微量:，及层流应力、层流通量以及浮力影响，则其控制方程组为tb7]:连续性方程票+备（1）%方向动量方程票■+警—£”（3）+gS-g^cos。⑵收稿日期：2004-11-20;修订日期：2005-01-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（50579030）;清华大学基础研究基金（JC2002006）作者简介：茅泽育（1962-）,男，浙江绍兴人，清华大学副教授，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：maozeyu@tsinghua.eduere2+clcyG-c2c飞rk2---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---210第17卷第2期2006年3月210水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCE水科学进展Vol.17,No.2Mar.>2006第17卷dUkdvkaIdUEdVeaIdew+3=月蔼品竺dky\^kdy输运方程紊动粘性系数(涡旋粘性系数)C^7式中u、v分别为沿％、7方向时均流速；日为水深；s为河床底坡；。为渠底坡角；c为紊动能生成项(剪切产生率)；k为紊动能；§为紊动能耗散率。模型中参数q、C*、Ch、央、/为标准农e模型中的经验参数，其中参数q为柯莫哥洛夫——普朗特紊动能*的表达式与耗散项€=CDk3/2/L(其中，％为经验常数，乙为特征长度)结合得到紊动粘性系数表达式的无量纲常数，根据处于当地平衡状态剪切层的试验结果得C〃=0.09;Ck和C”为e方程源项中的经验常数，根据近壁剪切层速度分布的量测结果得到C"的变化范围为1.41-1.45,根据均匀紊流中A沿程衰减的最测结果得到的变化范围为1.90~1.92;夷为人方程中的紊动扩散常数，对于不可压缩流体其值为1.0；'为e方程中的紊动扩散常数。因此根据Lan...