河源市华建水利水电建筑工程有限公司
【摘 要】在自然界的河道或者人工开挖的水渠当中，由于地势的原因，都会有弯道的存在，在水流经过这些弯道的时候，其运动规律会根据弯道的程度和水流的具体情况发生相应的变化，这些变化的规律是非常难以琢磨的，在这种情况下，人们通过对弯道和水流的具体数据进行研究，来得出其运动规律。本文结合具体公式和案例，来对明渠弯道水流运动规律进行研究分析。
【关键词】明渠弯道 水流 运动规律
前言
在人们对明渠弯道中水流运动规律的研究中，包含了在各种地形情况下的弯道水流运动特性，根据这种特性，人们对其中影响水流运动规律的因素进行了各个方面的分析探讨。这样的研究在人们的生活中起到了重要的作用，对河流的治理和港口的建立有着关键的意义。
一、在明渠弯道水流运动中的各个参数
影响水流运动规律的因素包括很多方面，其中主要包括了水面横比降、横向环流流速沿垂向分布和环流流速的沿程分布等因素，通过对这些因素的具体研究分析，可以得出具体的弯道水流的运动规律。
1、首先是弯道水面横比降。在水流经过弯道的时候，由于弯道的不同，其中所产生的离心力也有着不同，由于其中离心力的存在，会使水流的的水面逐渐升高，并且偏向凹面，这个凹面根据渠道的具体情况，会形成一定的倾斜角度，这个倾斜角度就被称为横比将J
R，在水流经过弯道的时候，其中在水面逐渐偏向凹面的过程中，水灵经过弯道最中间的时候，是其中横比将值最大的时候，随着水流渐渐过去弯道，横比降的数值也会渐渐的减少；在水流经过弯道进口凸面的时候，水面处于最低的位置，在水流经过弯顶以下的凹面的时候，水面处于最高点。在对弯道水面的横比将进行描述的时候，有着这样几个公式：
首先是罗索夫斯基公式
在这个公式里面Jr代表着水面的横比降：Vcp为在水流进入弯道的时候，垂线的平均流速；α0为流速垂线的分布不平均系数；τ0为来自河底的横向阻力；r为弯道的半径；p为水的密度；g为重力加速度。
在这个公式中我们可以看出，要想对水面的横比降进行计算，其中需要多个方面数据的共同支持，但是这个公式在实际的运用中仍旧是不精准的，其中的河底横向阻力和系数都不能进行有效的确定。通过具体的试验可以得出，这个公式在运用中，得出的数据一般比实际情况要小，在这种情况下，我们可以引入另外一种公式：
张红武公式。这个公式在实际的运用中，在河床的粗糙程度的影响下，所表现出来的结果与实际的资料数据相差较小，具体的公式如下：
在这个公式中，克服了来自河底处为负无穷大的缺陷，使得公式在具体的应用当中，有着较好的计算效果。
3、在水流经过弯道而形成的横比降当中，能够引起弯道断面的横向压力差，这种压力差的均匀分布和流速的不均匀性，在水渠的弯道断面上产生了纵轴环流，这样的纵轴环流与经过的水流进行碰撞汇合之后，能够形成水的螺旋。在这种弯道环流流速沿垂线的分布当中，也出现了许多相应的公式，这些公式各个有各的特点，对于水流过程中的各种参数也有不同的参考，导致其结果也会有着不同，其中，最具有代表性的波达波夫公式和马卡维耶公式。在这两个公式的计算当中，前者主要是利用N-S方程，来得出来二次元的情况下，水流的运动公式，利用这个公式建立抛物线模型，最后得出的环流流速垂线分布公式；而后者主要是基于椭圆型分布的环流公式，但是在这个公式的实际应用中，由于公式中的计算过于复杂，其中的变量过多，对于其中常量的推算，也显的粗糙，这样的计算结果与实际的测量结果相比，浮动较大。
4、环流流速的沿程分布。在水流经过水渠弯道的时候，这样的水流被成为环流，而环流的沿程分布指的是，水流经过整个弯道的时候，其中流速的变化。在前面水面横比降中提到，在水流经过弯道中间之后，由于弯道弧度的慢慢减小，其中产生的离心力也会减少，其水面横比将会慢慢减弱，在这种情况下，环流的流速也会根据水面横比降的变化而变化。根据水流在弯道中的整个流动过程，包括其中离心力的大小和水面横比降的变化，针对这种情况，人们对于处于不同位置的水流进行了流速的计算，这些计算是从水流进行弯道开始，在弯道消失，离心力也同样消失后而结束了，通过对整个过程的计算，可以得出整个环流沿程衰亡的规律，通过对其中的结果数据和规律进行图表绘制，可以清楚的了解整个水流在弯道中的运动规律。
在对水面横比降、弯道环流流速的分布、和环流流速的沿程分布等进行公式计算之后，通过其中的数据，人们可以对明渠水流的运动规律进行具体的掌握，以此运用到人们的生活当中。
对明渠弯道水流的运动规律进行测量
在上述的公式中，通过对其中的主要影响因素进行计算，可以掌握明渠弯道水流的基本运动规律，但是在公式的计算中，需要水流在经过弯道的过程中，所表现出来的各种数据作为支持，才能进行公式计算。在这种情况下，就需要人们根据具体的明渠弯道情况，对其中的参数和系数进行具体测量。测量的方法和使用仪器主要表现在以下几个方面：
1、首先是其中的测量仪器。在研究明渠弯道水流的运动规律的时候，要采取这样几种仪器：在一般情况下，人们会采用高频PIV对其中的数据进行测量，PIV都被称为粒子图像测速法，这样的方法可以对水流的图像进行多点捕捉，并且不用接触到水流，这样的测速方法具有在一瞬间记录下大量空间点上的速度分布信息，把其中水流的流动特性完整的表现出来。在采用PIV测速技术对明渠弯道水流的速度进行测量的时候，首先要保证其中的示踪粒子的比重要与所进行测量的水流保持一致，同时，在测量的过程中，要尽可能缩小所测量的范围，最后，要保证测量的仪器有足够高的光散射效率，这样才能水水流的具体数据进行有效的测量。
2、测量的具体方法。在采用PIV测速技术对水流进行测量的时候，可以先把所需要测量的明渠的具体数据进行测量，然后根据这些数据，建立一个三维图形，然后把PIV中的激光器和摄像机放置到三维图形中X轴与Y轴所对应的明渠当中，最后对水流的图像进行拍摄记录，以此来得出其中的数据。在测量的过程中，摄像机与激光器的最小分辨率要保证在0.08mm/像素，这样可以提高所拍摄的质量，对于其中水流的具体数据的测量也能更加明显；最后把所测量出来的数据代入上述的公式中，就可以得出明渠弯道水流的主要参数，从而对明渠弯道水流的运动规律进行掌握。
结束语：本文通过对明渠弯道水流的运动规律中的水面横比降、弯道环流流速的分布、和环流流速的沿程分布等三个主要因素进行了具体的分析，然后对所要进行测量的仪器和测量方法进行了介绍，通过对这些公式的具体分析，可以对公式的适用性和准确性进行进一步的明确和掌握，在对不同的弯道水流运动规律进行研究的时候，要采用不同的公式，这样才能更加准确的掌握明渠弯道水流的运动规律。
参考文献：
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论文作者:陈文科
论文发表刊物:《低碳地产》2016年6月第11期
论文发表时间:2016/11/16
标签：弯道论文; 水流论文; 明渠论文; 公式论文; 环流论文; 流速论文; 规律论文; 《低碳地产》2016年6月第11期论文;