射流沖刷試驗范文

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摘要：為研究影響射流沖刷的因素，作者進行了70組試驗，分別研究了單管和多管，水平和有入射角，貼底和離開床面，靜水和動水等情況。對試驗結果的分析表明：在床沙一定、河流流速與射流流速相比不大的情況下，沖刷坑的幾何尺寸與Vj2/3D5/6有較好的關系。

關鍵詞：射流射流清淤潼關高程水槽試驗

1引言

射流技術在生產實踐中有著廣泛的應用。利用射流沖刷水下淤積物，作為慣常的機械挖泥的替代措施，也有所研究和應用。例如美國海軍土木工程實驗室（NCEL）為解決軍港淤積問題，曾進行了一系列室內和野外試驗研究[1～3]。近年來，為抑制潼關河床高程的不斷抬升，在潼關河段利用安裝在船舶上的射流噴嘴系列進行河道清淤及相應的野外測驗和室內試驗[4,5]。由于射流技術在工程中的廣泛應用，針對射流和射流沖刷的具體問題的試驗和研究在文獻中常有報道。

射流沖刷，特別是河道中射流清淤，是一個相當復雜的系統，受到諸多因素的影響，其中包括射流要素、河流要素及河床要素。由于其所包含的物理過程的復雜性，到目前為止，幾乎所有處理此類問題的方法都是經驗性的，所有此類問題的研究都要依靠試驗。因此，系統地研究不同要素與沖刷效果的關系或者說不同條件下的沖刷效果，對于射流清淤系統的優化設計和運行是十分必要的。作者通過室內試驗對諸多因素進行了比較系統的試驗和分析研究。

2試驗簡介

試驗在大型玻璃水槽中進行，幾何尺寸為：長76m，寬1.2m、深0.9m。選用煤灰做模型沙。其顆粒容重γs=2.15g/cm3,鋪沙孔隙率為0.61,干容重γ0=0.84g/cm3,

射流管用紫銅管及不銹鋼管制作。單噴嘴的噴嘴內徑D分別為0.162cm，0.285cm，0.499cm三種。多噴嘴的噴嘴內徑D為0.278cm，在同一配水管上安裝七個噴嘴，噴嘴間距為5cm，試驗時可封堵4個管嘴，造成間距為5cm、10cm、15cm的三管射流。用可變高度的溢流水箱產生不同的穩定水頭，最大水頭可達3m，最大射流流速約為5m/s。射流沖刷試驗分別在靜水和動水中進行。

3試驗結果與分析

3.1靜水中水平貼底射流沖刷

如前所述，射流沖刷是一個復雜的系統，其影響因素有射流因素:包括射流噴嘴形狀和尺寸（本次試驗均用直徑為D的圓形噴嘴）、射流流速Vj、噴嘴距床面的高度ΔH、射流與床面的夾角θ等變量；河流因素:包括河道水深h，流速V、含沙量c等變量以及射流與河道水流的相對方向；河床要素:包括河床淤積物的粒徑級配、沉積密實度等變量，以及參與射流過程中的流體和固體物質的基本物理性質如密度、粘性等等。把這一復雜的過程寫成數學表達式的形式，則有

L=f(射流因素，河流因素，河床因素)

(1)

式中L為沖刷坑形態中的某一特征長度。在河流和河床條件一定的情況下，式（1）可簡化為

L=f(D,Vj)

(2)

就最大沖刷距離Rm（噴嘴至與原始河床齊平處的距離）對D和Vj進行多變量回歸（圖1）得

Rm=2.2Vj2/3D5/6（單位:cm）

(3)

在流體動力學中，對于水下圓管射流，由流體運動方程導出射流中心線上縱向流速變化[6]

Vm=6.4DVj/R

(4)

若假定中心線上流速隨距離R增加而減少到一臨界值Vc時河床不在沖刷，則相應的最大距離為

Rm=6.4DVj/Vc

(5)

顯然，當Vc一定時，Rm∞D1.0,Rm∞V1.0j。與式(3)比較，在方次上有明顯的不同。因為式(4)的流速分布只適用于無限邊界的情況。李芳君等[7]曾做過同類試驗，對其資料整理得

Rm=1.25D0.8Vj2/3

(6)

式(6)在管徑和流速的次方上與式(3)接近。NCEL根據室內研究的結果提出下列無量綱方程[1～3]

(Rm/D)2.4=120ρVj2/τcR0.4e

(7)

式中ρ為流體密度；Re為射流雷諾數；τc為臨界切應力。式（7）可轉化為

Rm=7.35ρ2.5/6ν1/6D5/6Vj2/3/τ2.5/6c

(8)

當ρ、ν和τ取一定值時，Rm∞D5/6Vj2/3。盡管方程(7)是由薄層淤積物的二維沖刷試驗中得出的，但其沖刷的最大距離與管徑和射流流速的關系在次方上與式（3）是一致的。可見式(3)所反映的沖刷距離與射流動力指標之間的關系，在不同的試驗中得到證實。床沙抗沖性能的不同，則反映在該式的系數之中。