明渠剪切分层流垂向扩散特性试验研究

　　分层流通常可以分为两种类型:有明显交界面的二层流(异重流)和垂向上既有密度梯度又有速度梯度的部分分层流。分层流作为自然界中广泛存在的一类水流形态,对其运动规律的研究具有十分重要的意义,一直为国内外科研人员所重视,如: Yih、Majewski、Schiller、Chu、Lawrence、Fernando、Redondo、陈惠泉、张书农、金海生、王日新、华祖林等[1~12]。但是由于条件限制,前人的研究大多局限于二层流对部分分层流(以下简称分层流),尤其是对分层流交界面垂向扩散的研究则相对较少。本文在前人工作的基础上,通过较为系统的上下层冷热水掺混的物理模型试验,实现了分层流态自二层流到几乎完全掺混的转捩,仔细分析了分层流掺混强度与出水口附近交界面垂向热扩散系数的变化规律,得到了热扩散系数与掺混强度以及密度弗劳德数之间的经验关系。

　　1　试验设备及量测仪器

　　1·1　试验设备

　　试验采用全透明有机玻璃制直道矩形断面水槽,配有两套相互独立的进水系统和一套回水系统。试验水槽底坡为1‰,宽34 cm,深30 cm,由进水段、测量段与出水段3部分组成。进水段长300 cm,在距槽底20 cm处设0·2 cm厚的玻璃隔板,将水槽分为上下两层,分别引入热水(上层)和冷水(下层);测量段长200 cm,其上架设ADV、HR-2红外热像仪、数字温度计等各种量测装置;水槽其余部分为出水段,末端安装自动尾门来控制出流水位。试验水槽如图1、图2所示,其中断面1、断面2等为测量断面位置。试验前先抽取部分水流至热水池预加热,然后把冷热水泵入两个独立的高位水池,平水后再将两股水流平稳、均匀地引入试验水槽进水段以形成分层流。试验尾水经回水系统降温后排入水库,实现水体的循环利用。

　　1·2　量测仪器

　　试验中流速测量采用美国SonTek公司进口的16MHz MicroADV,其主要技术性能有采样频率: 0·1~50Hz;测速范围:±3~±250 cm/s;最大零偏置速度:±0·25 cm/s;测速精度为测量速度的±1%。分层水体温度测量采用数字温度计结合HR-2型红外热像仪测试。

　　2　试验参数与工况选择

　　2·1　试验参数

　　由于本次试验在密闭条件较好的室内进行,并且测量时段也相对较短,所以风吹及表面散热对掺混的影响均可忽略不计,那么反映分层流掺混情况的特征量可表示为

　　式中　u1、u2为进口段上下层水体平均流速;ρ1、ρ2为上下层水体密度;γ为下层水体运动粘性系数; h1、h2为上下层水深; h为水槽出口水深;g为重力加速度;Δu=u2-u1。

　　对式(1)进行量纲分析,可得:

　　其中Δu(ρ2-ρ1)ρ2gh为出水密度弗劳德数,记作Fd0。