1、【水文淀沙】挾沙水流近底流速試驗研究及隨機相位分析劉麗板，陳洪凱1,何光春3（1.重慶交通大學巖土工程研究所，重慶400074；2.重慶交通大學應用技術學院，重慶400074；3.重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400042）摘要:在動床挾沙水流條件下，測量了不同流量及不同彎道情況下近底流速瞬時分布的情況，將時域信號通過仲里葉變換轉化為頻域信號，并運用數理統計的方法對近底流速頻域內隨機相位的分布進行了研究。結果表明：隨機相扃服從正態分布。關鍵詞：時頻分析；近底流速；狹沙水流中圖分類號：P642.23文獻標識碼:Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2011.02.

2、022挾沙水流普遍存在于天然河道和人工渠道之中，動床挾沙水流存在著兩個反饋系統:一方面，水流可以塑造周界，而周界又反過來影響水流;另一方面,水流攜帶泥沙，而泥沙的存在又反過來改變水流的物理性質和紊動結構，從而影響其能景損失、流速和含沙量分布。與清水相比，挾沙水流流速分布規律要復雜得多，它不僅與水流條件有關，而且泥沙的存在還反過來影響水流結構,導致能量轉換和流速分布發生改變口一刃。因此，挾沙水流的流速分布規律成為了河流動力學中的重要課題之一,一直受到學術界的極大關注3-41o由于近底層水流流速在河口懸沙的水平輸送及底部再懸浮過程的研究中非常重要,因此挾沙水流近底流速數據的采集至關重要。-婦，筆者

3、采用模型試驗的方法對挾沙水流的近底流速特性進行了研究,通過測量動床挾沙水流近底流速（距離床面1cm）的瞬時分布，對近底流速進行了譜分析，以期為動力場中垂線流速分布及近底泥沙運動臨界過程的發生機制研究提供基礎數據。1試驗方案及測試方法1.1試驗系統試驗水槽長30m、寬5m,坡度為3%,玻璃水槽長約10m、高約0.9m.凈寬1.215m,設置了20m長的引水段來穩定水流流速。整個試驗的循環水系統包括泵站、量:水堰、上游調節尾門、循環水廊道等裝置。供水系統采用循環供水模式，最大流量為600L/so試驗流量為46.4、90.6、158、343.4L/s和527L/so12試驗條件垂線流速分布測量是在挾

4、沙水流與槽底鋪設的泥沙層相互調整達到一種相對輸沙平衡、充分紊流條件下進行的。槽首為矩形薄壁量水堰，寬1.3m、高1.1m,流量達到規定數值時,放水時間控制在15min左右，相對誤差控制在±2%,槽尾通過尾門控制模型水位。13流速測量首先在水槽底部均勻鋪放80cm厚度的天然沙（粒徑5200mm），然后放入清水,通過加大系統的流量來造成槽底泥沙的沖刷，增大挾沙水流含沙最,最終建立一種相對穩定的動床平衡狀態，并在流動的穩定段設置固定測流斷面及測流垂線，測試斷面為4種不同彎道（對應頂沖角度分別為83.87%54.82。、21.71。及2.24。），流速采用自行研制的瞬時流速（譜）采集系統來采

5、樣（測速），采樣速度設定為4000次/s,頻率響應速度為100Hz,采樣數據非常可靠。2試驗結果分析挾沙水流垂線流速分布曲線見圖1（*2=527L/s,斷面起點距為0.2m,頂沖角為83.87。），不同頂沖角度情況下近底流速隨流量的變化見圖2。從測試中發現，近底流速及各測點流速存在強烈的紊流脈動現象。受泥沙顆粒的影響，近底流速可能出現突然增大的現象。從圖2中發現，近底流速并未隨流量的收稿日期：201401-12基金項目：教育部高校博士點基金責助項目（20080618001）；中國將士后科學基金資助項目（20080430095）。作者簡介：劉麗（1979-）,女.吉林舒蘭人，講師，1士，研究方向

6、為泥石沆達動力學及水動力學。E-mail：llwwqqhh圖2不同頂沖角度近底流速隨流變化曲線增大呈單一的增大趨勢，而是有所跳動,原因是動床泥沙顆粒的影響及床底糙率在不斷變化。圖2不同頂沖角度近底流速隨流變化曲線增大呈單一的增大趨勢，而是有所跳動,原因是動床泥沙顆粒的影響及床底糙率在不斷變化。概率密度函數:自相關函數：標準化后：功率譜密度函數:離散形式:p(z)Cr=Rr/D0=4/J(r)cos2frdr=2hDCo+2m-l,»c。僵)+Cmcos(wk)(6)(7)(8)(9)(10)3近底流速譜分析式中:z=U；r為滯后數為最大滯后數;A=0,l,a2,，3.1頻譜分析方法在

7、工程實踐中，江湖海浪、地震波、水流脈動等物理現象對結構物的影響都是隨機的，即這些現象產生的數據(如地震的速度、加速度、海浪波高等要素，高速水流的流速和壓力等)不能用確切的數學表達式進行描述。對于這類隨機數據,一般多采用其統計特征值。而對于常見的各態粒徑的平穩隨機過程,多采用其均值、方差、概率密度函數、自相關函數和功率譜密度函數來描述，這種方法在實際工程中可以解決許多問題。作為平穩隨機過程的一個樣本函數，對其進行頻譜分析IF的最基本步驟是將樣本函數進行有限化和離散化，稱為一組隨機數據。由于進行分析的隨機數據是全部記錄中的一部分并進行間隔采樣而取得的，因此用這組數據來描述數據特性與原始樣本函數固有

8、特性之間的差別在于“有限”代替了“無限”，“離散”代替了“連續”。為保證其基本形式滿足數學上的“采樣定理”，采樣間隔h應為h=1/(2/；)(1)式中為奈奎斯特截斷頻率。對于數據的有限長度匚按下式計算：T=Nt(2)式中為記錄的有限長度瀏為采樣總數。按上述方法采樣，分析的最大有效周期為"2,最高頻率為九。根據N個隨機數據可以估算過程的隨機特征,其離散形式為均值：_1NX=用%(3)方差：N_。=身£(尸(4)均方差：a=-/D(5)上述由自相關函數進行傅里葉變換求功率譜的方法即為基本的估計功率譜的方法。功率譜推求方法還有快速傅里葉變換(FFT)和自回歸模型等。這些對于提高功

9、率譜的推算速度和精度都有深層意義。3.2挾沙水流近底流速頻譜分析結果水流流速信號的采集受許多因素制約，為避免干擾信號,采用了硬件濾波，同時在流速信號采集完畢后對信號進行后期數字濾波處理，以避免高頻段干擾低頻段。同時，對近底瞬時流速譜進行時域到頻域內的轉換從近底流速信號頻域圖中可以看出，隨機相位角滿足平穩隨機過程。通過傅里葉變換，近底流速瞬時信號轉換為頻域內的信號，以某測點為例,共獲得隨機相位角數據512組，隨機相位角為-229。849。，繪制樣本的頻率直方圖，根據隨機相位角的取值范圍確定組限、組中值和頻數,并繪制經驗分布密度函數，嘗試使用正態分布對此分布密度函數進行擬合，結果表明其符合正態分布。參考文獻：1 舒安平，劉青泉,費俊祥.高低含沙水流流速分布的統一規律J.水利學報,2006(10):1175-1180.2 王元葉，何育.聲學多普勒流速剖面儀近底有效流速數據處理初步研究JJ.水科學進展,2008(3):394-399.3 朱長軍，張金良,江恩惠，等.明渠含沙水流的垂線流速分布特性研究J.長江科學院院報,2007(5)：1-3.4錢寧,萬兆惠.泥沙運動力學M.北京:科學出