第一章 绪论
1.1 前言
恒定流是指流体运动特征不受时间影响的流动，一般是对特定流态的简化。明渠非恒定流问题要比恒定流复杂得多。现阶段水力学及河流动力学的多数问题的解决基本上都是在恒定流的基础上建立起来的，使得问题的研究变得容易。当流动特性随时间变化较缓慢时，非恒定流每一时刻的流动状态都可视为同水力条件下恒定流的运动，则非恒定流可以近似为恒定流处理。当水流条件变化剧烈时，诸如电站运行，水库调度削峰等情况下，变化过程较快，水流的非恒定性较强，如果再简化为恒定流来研究非恒定流问题，则可能导致如泥沙运动、河床冲刷等一系列问题的偏差，甚至带来错误的结果。
早在 200 多年以前，就有学者对明渠非恒定流问题展开研究，继此之后，一系列对此的试验研究也展开了，在非恒定流传播特性、流速分布等问题的研究方面取得了丰硕的成果。近年来，随着电子计算机技术的发展，数学模型和物理模型在非恒定流的研究中得到了很大程度的发挥。然而，受限于试验方法，多年来对于这方面的研究一直未能有大了突破。相比于恒定流，明渠非恒定流的研究任重而道远。
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1.2本文研究的技术路线及主要工作
1.2.1 本文研究的技术路线
本文在收集前人研究成果的同时，通过 PIV 实验数据，用流速剖面的传统对数分布模式结合最小二乘法确定明渠流的摩阻流速和粗糙高度，分析明渠非恒定流的摩阻流速，粗糙高度以及阻力系数的变化规律，并探讨摩阻流速和粗糙高度两者之间的关系。本文的技术路线如图 1.1 所示：
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第二章 实验布置及实验方法
2.1 引言
2.1.1 流速场的测量方法
流速场的测量方式可以分为两大类：单点测量技术和 PIV(Particle ImageVelocimetry)粒子图像测量技术。
（1）单点测量技术
单点测量根据仪器接触水流与否，可分为单点接触式测量和单点非接触式测量。单点接触式测量主要代表有毕托管、微型旋桨流速仪和热线热膜流速仪（HotWire/Hot Film Anemometry，HWFA）。单点非接触式测量则以超声多谱勒流速仪（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）和激光多谱勒流速仪（Laser DopplerVelocimetry/Anemometry，LDV/LDA）为代表。
毕托管由法国工程师 Pitot 发明于 1732 年，用于管道内水压的测量，Prandt在 1905 年将其改进，并利用伯努利方程计算流速，即为现在的实验室用毕托管，其原理为将流体运动的动能转换为势能，通过测量水头计算最后得到流速。毕托管原理简单、操作方便，但测速范围小，当流速小于0.1m /s 时，测量精度就很低，且仅能测量一维流速，动态性较差，不适用于强紊动性的流体测量。
微型旋转流速仪的原理为机械能转换理论，运动水流带动旋桨转动，水流流速与旋桨转速成线性关系。实验时，获得旋桨转速后，代入标定的线性关系即可得到旋桨处水流流速[微型旋转流速仪也只能进行一维接触式测量。由其原理流体的动能必须能使旋桨转动起来，因此，所测流体速度越大，测量精度越高，而当流速较小时，误差较大，甚至存在测量死区。
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2.2 水流循环系统
2.2.1 明渠水槽模型
明渠是最为常见的管道流行模式，其流态为具有自由表面的重力流，城市给排水系统中的雨污水管道几乎均为明渠流。实验是在重庆交通大学河海学院水利实验室中的一套供水系统上进行的，本实验的明渠水槽模型采用有机玻璃制成，水槽全长 10.81m，宽 0.25m，高 0.75m。其中，侧面和底面均由长 3.3m 的玻璃构成，玻璃安装误差小于±0.2mm，水槽全长误差小于±0.5m，水槽结构的变形小于±0.3mm，玻璃水槽的供回水系统配有大小水泵、大小变频器、大小流量计组成的两套水循环系统，可以进行大流量和小流量时的恒定或非恒定流实验。同时水槽沿程布置了 4 个超声水位计探头，对沿程水位进行实时的测量，以便能够更好地跟踪非恒定流传播过程中水位变化特点。水槽构造如图 2-4 所示，水槽系统实物照片见图 2-5 及图 2-6。
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第三章 摩阻参数的确定方法............................24
3.1 摩阻流速 .............................. 24
3.1.1 紊动动能耗散率法 ............................ 24
3.1.2 高频观测法 ........................... 25
第四章 恒定流摩阻特性实验研究 .........................32
4.1 实验工况 ............................ 32
4.2 实验与数据处理 ................................. 32
第五章 非恒定流摩阻特性实验研究 ....................47
5.1 实验工况 ................................... 47
5.2 实验与数据处理 ............................... 47
第五章 非恒定流摩阻特性实验研究
5.1 实验工况
以往的实验研究中，非恒定流过程概化形式多样，但以三角形的波形居多。其中，有些只采用了涨水过程，或者只有落水过程，有些则包含了涨水段和落水段的整个过程。非恒定流在传播过程中会发生变形，三角形非恒定流过程波形不易保持波型的稳定。在非恒定性较强时，波峰波谷变化剧烈，变形后的非恒定过程不易采用函数表达。
从天然河道的非恒定流过程来看，明渠非恒定流基本上都包含了涨水过程及落水过程，而且以缓变过程居多，正弦函数表示的波形较为符合这一情况。而且用正弦函数表示周期性的非恒定流过程，有利于数学上的分析。因而本文的非恒定流实验采用正弦函数表示周期性非恒定流过程。
本实验在 0.001、0.002 坡度下，根据不同的比降和周期组合，在水槽内共进行了 4 个实验组次的非恒定流实验，以研究明渠非恒定流的摩阻特性。给定的流量过程均为正弦函数分布，各组次的实验水流条件分别见表 5-1。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文以 PIV 实验为基础，采用流速剖面法结合和传统的流速对数分布模式结合最小二乘法确定摩阻流速和粗糙高度。分析了恒定流与非恒定流粗糙高度、摩阻流速和阻力系数三者的变化规律，探讨两者之间的变化关系，主要成果如下：
（1）对恒定流取每个组次垂线号为 5 的倍数、底部 10 层的流速以及非恒定流每个周期十个时刻分别取底部 10 层的流速分学习，表明恒定流与非恒定流流速都符合对数分布，能运用传统的对数流速分布模式来确定摩阻流速和粗糙高度。
（2）分别对非恒定流一个周期的每个时刻的 33 条垂线的粗糙高度0z 值求平均值，绘图观察粗糙高度0z 在非恒定流周期中的变化规律发现，在非恒定流的涨水段，随着时间的推移粗糙高度0z 随之减小；在落水段，粗糙高度0z 随着时间的推移而增大。
（3）对非恒定流每个周期每个时刻的 33 条垂线的摩阻流速*u 值求平均值，观察摩阻流速*u 在非恒定流周期中的变化规律发现，非恒定流摩阻流速*u 在周期内先增大后减小。
（4）绘制非恒定流和恒定流各垂线的0z 和*u 比较图，得出恒定流与非恒定流每断面垂线分布的0z 和*u 变化情况都具有良好的一致性。与恒定流对比，非恒定流曲线的曲折程度要高于恒定流，粗糙高度和摩阻流速变化具有更明显的一致性。
（5）绘制两种流态下0z ~2*u /g 图，得出恒定流与非恒定流的断面0z 和2*u /g成严格的线性关系。因此，恒定流与非恒定流的粗糙高度0z 和摩阻流速 u 之间成良好的线性关系。尽管恒定流和非恒定流的摩阻流速与粗糙高度之间都成线性关系，但非恒定流的线性关系更为突出。
（6）分别取恒定流每个组次垂线号为 5 的倍数、底部 5 层流速，非恒定流各个时刻近底 5 层的流速作为参考流速，计算每层的DC 平均值并分析。结论为不论是恒定流还是非恒定流，阻力系数都随着层数的增加，阻力系数的变化幅度随水位的增大而减小；并且随着水深的增大，层与层之间的阻力系数变化程度减小。
参考文献（略）
