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2023-06-22
水流运动特性简介
【摘要】：14.2.1.3时均流速沿垂线分布时均流速沿垂线分布如图14-6和图14-7所示。
14.2.1.1 脉动流速的概率分布
根据多普勒三向流速仪(ADCP)观测资料点绘的频率曲线 (如图14-1所示，Y 为相对水深)表明，天然河流径流控制的河道自由紊流区瞬时流速的概率密度函数可近似用正态分布来描述，近壁强剪切紊流区的瞬时流速的概率密度函数为偏态分布;感潮河段水流在涨落潮时因潮流影响，脉动流速不符合正态分布。长江上游宽谷和峡谷河段水流脉动频率的变化均符合高斯的正态分布规律。峡谷河段水流脉动的振幅大，频率低，紊动强;而宽谷河段水流脉动的振幅小，频率高，紊动较弱。
14.2.1.2 水流紊动强度
根据观测资料计算的水流紊动强度
和相对紊动强度
图14-1 黄陵庙水文断面主流区垂线横向脉动流速概率分布
如图14-2～图14-5所示。
图14-2 黄陵庙水文断面主流区垂向紊动强度沿垂线分布
图14-3 黄陵庙水文断面主流区垂向相对紊动强度沿垂线分布
图14-4 感潮河段近岸区垂向紊动强度沿垂线分布
图14-5 感潮河段近岸区垂向相对紊动强度沿垂线分布
长江上游宽谷河段的紊动强度较峡谷河段的小，但两者均以河底较大，水面较小;宽谷河段主流区水流紊动强度较近岸区大，而峡谷河段则相反，主流区较近岸区小，说明峡谷河段近岸区受岸壁的影响，增强了水流的紊动。
黄陵庙水文断面的水流紊动强度表现为，纵向紊动强度最大，沿垂线最大值出现在近底区，向上、向下强度均减小，近底区紊动强度随水深变化梯度最大，相对水深0.4～1.0部分，紊流强度近似为线性变化;横向紊动强度沿垂线分布的形态与纵向紊动强度类似，只是数值略小;垂向紊动强度最小，约为前两者的1/3～1/4，沿垂线分布比较均匀。主流区垂线在相对水深0.1以上范围内相对紊动强度近似为线性分布，纵向、垂向相对紊动强度沿垂线分布非常均匀，并且3个方向的相对紊动强度均小于1;近底区相对紊动强度先大幅度增加，达到最大值后复减小。而近岸区垂线在0.1以上相对水深范围内横向、垂向相对紊动强度自水面向下逐渐变小，在相对水深为0.2～0.4的位置达到最小值，然后急剧增大，在近底处达到最大值;在0.1以上相对水深范围内横向、垂向相对紊动强度均大于1，但纵向相对紊动强度在主流区相对水深0.2～1.0范围分布很均匀，其值较横向、垂向相对紊动强度小得多。近壁区横向、垂向相对紊动强度较主流区的大。
感潮河段的水流紊动表现出非恒定性，其中近岸区与主流区垂向紊动非恒定性较弱，纵、横向紊动的非恒定性相对较为明显。近岸区垂线横向紊动强度最大，垂向紊动强度最小，纵向紊动强度居中;3个方向的紊动强度在近底区均逼近于0，在相对水深0.2以上范围横向紊动强度沿垂线分布呈波状起伏，纵向与垂向紊动强度的变化趋势相近。主流区纵、横向紊动强度接近，垂向紊动强度最小，近似为前两者的1/3～1/4;纵、横向紊动强度沿垂线分布的形态基本类似，呈波状起伏，最大值均出现在近底区，近底区紊动强度随水深变化梯度最大，垂向紊动强度沿水深变化比较均匀，近似为线性变化。主流区垂线3个方向相对紊动强度沿水深分布近似为线性，纵向相对紊动强度沿垂线分布较均匀，并且3个方向的相对紊动强度在近底区附近出现极值。近岸区垂线在相对水深0.2以上范围内3个方向相对紊动强度沿垂线分布较均匀，接近于线性。两垂线相对紊动强度的数值垂向最大，横向次之，纵向最小;在相对水深0～0.2范围内3个方向相对紊动强度的数值变化剧烈，并在某个水深位置出现极值。
14.2.1.3 时均流速沿垂线分布
时均流速沿垂线分布如图14-6和图14-7所示。受径流控制的河段垂向流速值很小，沿垂线分布很均匀，可以用指数流速分布公式描述;主流区横向流速值较大，沿垂线分布不均匀，近岸区垂线的横向流速值较小，沿垂线分布比较均匀。垂线上最大横向流速值不在水面，而是出现在水面以下，沿垂线分布与指数流速分布公式有一定差别;纵向流速值最大，沿垂线分布不均匀，与指数流速分布公式计算值相对接近，与对数流速分布公式计算值相差较大。
图14-6 黄陵庙水文断面主流区垂向时均流速垂线分布
图14-7 感潮河段主流区垂向时均流速沿垂线分布
潮流河段流速沿垂线分布表现出非恒定性，其中近岸区非恒定性相对较弱，主流区较强;纵向流速受潮流的影响最大，垂向流速受潮流的影响最小。纵向流速值最大，垂向流速值最小;纵、横向流速沿垂线分布不均匀，垂向流速沿垂线分布很均匀。
14.2.1.4 雷诺切应力沿垂线分布
受径流控制的河段，雷诺应力沿垂线分布，在近底区均变化剧烈，呈正反方向振荡;近底区以上部分近似为线性变化，如图14-8和图14-9所示。
图14-8 黄陵庙水文断面主流区垂向雷诺切应力沿垂线分布
图14-9 黄陵庙水文断面H4号垂线雷诺切应力沿垂线分布
感潮河段雷诺应力沿垂线分布有明显的非恒定性，各时段的雷诺应力沿垂线分布有明显差异(如图14-10和图14-11所示)。纵向雷诺切应力最大，横向、垂向雷诺切应力在数值上接近，在零值附近震荡。说明在近底流层的一定范围内，雷诺应力随离边壁的距离增加而加大，即粘滞应力相对减小，在上部流区，以紊动应力为主。
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