水流作用下泥沙起動實驗報告參考模板

1、水流作用下泥沙起動實驗報告0/14第一章實驗說明1.1實驗?zāi)康谋緦嶒灋榕浜虾恿鲃恿W(xué)中水流作用下泥沙起動部分的教學(xué)而設(shè)置。通過實驗希望達(dá)到以下目的：學(xué)習(xí)在水槽中通過測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條件的測定方法，通過實際觀察泥沙的起動過程，加深對泥沙起動現(xiàn)象的感性認(rèn)識；1. 通過實驗儀器的操作，學(xué)會用螺旋流速儀測試流速的基本方法，提高動手能力；2. 結(jié)合泥沙起動相關(guān)理論的學(xué)習(xí)，加深對泥沙起動理論的理解；3. 提周數(shù)據(jù)整理、分析和實驗報告的編寫能力。1.2實驗要求1. 實驗之前，預(yù)習(xí)泥沙起動的相關(guān)理論，包括Shields理論、竇國仁公式及武水公式。2. 實驗過程中

2、仔細(xì)觀察泥沙起動情況，特別注意床面泥沙運動特征隨水流強度變化而變化的情況。3. 認(rèn)真完成實驗過程的每個環(huán)節(jié)，包括水流速度、水深、水溫的數(shù)據(jù)采集等。認(rèn)真編寫實驗報告，客觀、真實地記錄實驗過程的主要步驟，清晰表達(dá)所觀測的數(shù)據(jù)，注意盡量使用圖表等表達(dá)實驗結(jié)果，并將觀測結(jié)果與相關(guān)理論結(jié)果進(jìn)行對比，最后對所取得的結(jié)果進(jìn)行分析和評價1.3實驗設(shè)備裝置實驗所需儀器和設(shè)備包括白循環(huán)波流實驗水槽、沙盤、螺旋流速儀、溫度計、鋼尺、沙樣等。1.4實驗原理1、泥沙起動標(biāo)準(zhǔn)河底泥沙在水流條件較弱時處于靜止?fàn)顟B(tài)。隨著水流強度的增強，泥沙將出現(xiàn)一個由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為運動狀態(tài)的突變過程，稱為泥沙起動，而相應(yīng)泥沙起動時的臨界水流條

3、件稱為泥沙起動條件，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，泥沙起動條件具有一定隨機性，表現(xiàn)為即使是均勻沙也不會同時進(jìn)入起動狀態(tài)。但從統(tǒng)計角度看，泥沙起動條件仍然具有確定性。實際泥沙起動實驗中，克雷默(H.Kramer)曾將泥沙起動程度劃分為輕微起動、中等強度泥沙起動和普遍起動三個標(biāo)準(zhǔn)。輕微起動時，床面只有屈指可數(shù)的沙粒開始起動；中等強度泥沙起動是指進(jìn)入起動狀態(tài)的泥沙顆粒數(shù)量難以計數(shù)；而普遍起動是指全部泥沙都進(jìn)入起動狀態(tài)，并伴隨有床面變形。顯然，采用不同的主觀標(biāo)準(zhǔn)，得到的泥沙起動條件也會有一定差異。

4、一般采用中等強度起動標(biāo)準(zhǔn)建立起動公式者居多。泥沙的起動條件參數(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，再測定起動時的水深和水面比降，進(jìn)而用如下公式計算出床面摩阻流速。(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、流速的測量測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。可以通過測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。方程中含有兩個未知數(shù)U*和。根據(jù)兩個高度zi和Z2上的實測流速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動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)由于對數(shù)流速律僅在底部0.2h范圍的對數(shù)流速區(qū)30500內(nèi)遵循對數(shù)流速律，故在聯(lián)立求解摩阻流速和當(dāng)量糙LUUk率時，應(yīng)盡量將測試點選在該范圍內(nèi)。為了檢驗實測流速是否符合對數(shù)流速律，應(yīng)將實測流速結(jié)果繪在對數(shù)坐標(biāo)下進(jìn)行檢驗(圖1)。圖1對數(shù)坐標(biāo)下的實測對數(shù)流速為了提高計算精度，除了保證所用實測流速點嚴(yán)格位于對u*數(shù)流速區(qū)*z迫，還應(yīng)進(jìn)行多點測量，反算出多個摩阻流速和表觀糙率后進(jìn)行平均。建議在對數(shù)流速區(qū)內(nèi)至少設(shè)置五個流速測點斷面平均流速可以采用五點流速測試法（圖2）,用五點流速加權(quán)平

6、均計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2五點法測定平均流速測點位置示意圖3、觀測結(jié)果的分析泥沙的臨界起動水流條件可以通過前人的理論成果算出，如Shields理論、竇國仁公式和武水公式等。由Shields公式可計算臨界摩阻流速U*c,或泥沙臨界起動床面切應(yīng)力c；由竇國仁公式或武水張瑞謹(jǐn)公式可計算臨界斷面平均流速Uc。理論上，由泥沙起動公式計算得到的臨界起動條件與實測臨界起動條件應(yīng)該一致。請將白己實測的結(jié)果點繪到Shields圖上，亦可直

7、接將實測結(jié)果與起動流速公式圖3Shields曲線圖結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗試驗結(jié)果與前人結(jié)果的符合程度第二章實驗操作步驟與實施2.1實驗步驟1. 認(rèn)識并熟悉實驗裝置（包括螺旋流速儀、實驗水槽等）。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。開動水泵，由小到大調(diào)節(jié)水槽流量。3. 觀察泥沙起動現(xiàn)象，記錄泥沙起動狀態(tài)。當(dāng)觀察到泥沙處于臨界起動狀態(tài)時，測定水流流速和水深。注意每個測點流速數(shù)據(jù)應(yīng)采集三次做平均，作為該點的流速實測結(jié)果。4. 關(guān)閉水泵，整理實驗設(shè)備，實驗完畢。2.2測點選取及測量方法在實驗過程中，選取含沙段之前的斷面進(jìn)行流速測量：1、在臨界起動、全面起動和沙紋形成時三種狀態(tài)下分別

8、進(jìn)行；2、以上三種狀態(tài)均選擇五個不同水深測點進(jìn)行，分別為0、0.2h、0.6h、0.8h、h;3、每個水深測點進(jìn)行三次測量，流速結(jié)果分析取用其平均值。2.3實驗描述1. 水槽中實驗水深調(diào)整至25cm,螺旋槳測速儀上下框距離1cm。在實驗水深范圍內(nèi)，按要求取五個測點，則認(rèn)為各測點流速分別為水深0,5cm,15cm,20cm和25cm處的流速。2. 實驗現(xiàn)象:實驗剛開始時，只有少數(shù)懸浮物質(zhì)隨著水流運動。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動，此時停止加水流流速，開始依次測定選定五個測點的流速，每個測點讀取三個穩(wěn)定流速數(shù)據(jù)，取平均值為該測點的流速值。(1) 第一輪流速測定完畢

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動，此時再次停止加水流流速，開始第二輪流速測定。第二輪流速測定完畢，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，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，不再加大流速，進(jìn)行第三輪流速測定。2.4實驗結(jié)果水深條件h=0.25m,泥沙粒徑d=0.37mm。三種狀態(tài)下測速結(jié)果如下：表1臨界起動下水流速度測量結(jié)果(單位：m/s)水深測點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全面起動下水流速度測量結(jié)果（單位：m/s）水深測點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沙紋形成時水流速度測量結(jié)果（單位：m/s）水深測點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第三章實驗結(jié)果分析處理3.1結(jié)果計算處理1.平均流速取平均值后三種情況各測點速度取值列于下表:表4三種情況下測點平均流速（m/s）水深測點深

11、度臨界起動全面起動波紋形成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.實驗分析（1）實驗臨界希爾茲參數(shù)根據(jù)靠近底層兩個點（即水底和0.8h處，實測點z取值分別為0.01m和0.05cm）流速，根據(jù)對數(shù)流速公式：5.75log30.2-u*計算摩阻流速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*。將各計算參數(shù)結(jié)果列于下表：表5實驗計算希爾茲相關(guān)參數(shù)u*log?R*T0T*臨界起動0.012-3.3354.8460.3650.060全面起動0.012-4.0544.9370.3790.062沙紋形成0.018-3.4657.3140.8320.136(2)檢驗試驗結(jié)果與前人結(jié)果的符合程度圖4試驗結(jié)果與前人結(jié)果對比圖3.2