基于紊流涡团模式流速公式的黄河动床阻力计算方法OA

动床阻力是河流动力学与河床演变学的基础研究课题,对冲积河流洪水演进预测及泥沙冲淤计算至关重要。本文在系统评述现有阻力研究方法及其基本假定基础上,指出传统水力半径分割法与能坡叠加法存在明显局限:在不严谨的流量闭合试算条件下,常导致沙粒水力半径显著偏大,甚至超过实测综合水力半径,致使沙波水力半径出现负值等不合理结果。通过黄河模型试验发现,仅由河床沙粒引起的摩擦损失的情景并不存在,沙粒阻力与沙波阻力并不相互独立,不宜简单叠加计算。为此,本文直接利用精度高且能克服经典对数流速公式理论缺陷的涡团模式流速公式,以流量、河宽、床沙粒径作为已知条件,视河流近似为均匀流,即取能坡和河床比降相等,再通过水流连续方程进行闭合计算,即可求出体现水流阻力表现水位对应的水深,同时求出可体现阻力对流动影响大小的流速。经黄河下游宽、窄河段大量实测资料的分别验证,结果表明该方法验证效果良好,其精度基本满足工程计算要求,可实现黄河动床阻力从经验或半经验计算到理论计算的转变。相较于Einstein流速公式,由于涡团模式流速公式克服了前者水面与河底出现的理论缺陷,水深与流速验证精度相对更高。在考虑河床冲淤不平衡时,对宽、窄河段验证的水深相关系数分别为0.85和0.96(前者相应为0.84及0.95),相对误差均为14.4%(前者相应为18.6%及18.5%);若按Einstein方法考虑岸壁阻力影响,涡团模式流速公式在宽河段图示验证效果提升,综合验证精度还能提升,而窄河段验证精度均降低,且Einstein的对数公式在窄河段图示验证效果颇不理想。