水流拖曳力对混凝土块影响实验研究

曹忠华

(南平市武夷新区创业服务中心，福建 南平 354200)

1 概 述

全球变暖导致的气候变化，使世界上许多国家每年发生洪水的频率显著增加。极端的气候变化可能导致极端的气候条件，包括全球变暖导致降雨增加，从而导致河道和河流沿线降雨强度增加，导致洪水，进而导致混凝土基础设施的腐蚀和破坏[1-2]。事实上，在以往的研究及实际工程中，众多学者已经发现在混凝土结构的设计中考虑洪水风险是十分有益的，因为它将有助于统筹管理洪水范围内的影响[3]。因此，通过估算不同水流流速、流量和水流深度对混凝土立方体的水流拖曳力，可以预测混凝土结构的抗洪能力。

水的流动状态可以分为层流、过渡流和紊流[4-5]。当水流流速很小时，流体分层流动，流动的颗粒看起来是在一个确定的平滑路径上移动，并且流动看起来是一层一层的运动，那么这种流动就是层流，或称为片流；当流速逐渐增大，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；流速继续增加，当流速大到一定值时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，流动粒子在时间或空间上表现为不固定的、不规则路径上的运动，则称为紊流，又称为乱流、扰流或湍流。黏性力和惯性力的相对大小决定了流动是层流或紊流。有学者通过实验研究了流过有机玻璃圆柱体的阻力系数，发现更高的流速会增加阻力系数[6]。

本研究对移动立方体混凝土块所需的拖曳力进行估算，从而帮助研究人员将理论表达式与实际流动情况联系起来。阻力也是土木工程师在设计河岸和海岸保护系统时的一个重要参数。因此，本研究旨在估算因流水而导致混凝土砌块位移的拖曳力。此外，研究混凝土块的质量和水的流速如何影响流动水的拖曳力。

2 研究方法

本研究的方法是通过实验方法进行的。本研究使用的主要设备和材料是透明玻璃明渠水槽和3种质量互不相同的立方体混凝土块。在本项研究使用的3个大小相近、质量不同的混凝土立方体见图1。为便于区分，将3个混凝土立方体分别标记为立方体A、立方体B和立方体C。实验过程中，在长10 m、宽0.3 m、深0.46 m的水槽中间安装放置混凝土立方体块，见图2。分别对A、B、C这3个混凝土立方体的流动实验依次重复3次，通过取平均值的方式以确保一致性，排除偶然因素对实验的影响。

图1 实验所用3块混凝土立方体的尺寸及质量示意图

图2 明渠水流玻璃水槽

表1列举了基于弗劳德数Fr和雷诺数Re确定的明渠水流不同的流动状态。

表1 明渠中的流动状态

根据经验公式，拖曳力可由以下公式进行计算：

其中：FD为水流拖曳力；A为面向流动方向的混凝土立方体面积；ρ为水的密度；V为水流流速；CD为阻力系数，且由经验可取CD=1.05。

3 结果讨论

3.1 流动状态、雷诺数Re、弗劳德数Fr与流量Q的关系

通道内的流动状态由弗劳德数Fr和雷诺数Re决定。表2给出了基于弗劳德数和雷诺数的不同流量、不同深度和不同流速下沿长10 m、宽0.3 m的明渠水槽的流动状态。当500

表2 基于弗劳德数和雷诺数的流动状态

图3为弗劳德数与流量的关系曲线。分析图3中结果显示，弗劳德数随流量增大而增大。在小流量时，随着流量增大，弗劳德数变化剧烈，且呈线性增大趋势；当流量持续增大到一定值，弗劳德数的增长趋于平缓。图4显示了雷诺数和流量之间的关系。由图4可知，雷诺数随流量的增大而增大。不同于弗劳德数随流量的变化规律，随着流量增大，雷诺数一直保持线性增加。

图3 弗劳德数Fr与流量的关系曲线

图4 雷诺数Re与流量的关系曲线

3.2 水流拖曳力的估算

表3是本文为观察水流对3块不同混凝土立方体分别进行的3组实验后，对流速和水流拖曳力平均后得到的实验结果。通过对每个混凝土立方体上的每个流动实验重复3次，并对实验结果计算平均流速V(m/s)和平均拖曳力FD(N)，以确保结果一致性。对于混凝土立方体A，在宽0.3 m的透明明渠玻璃水槽中观察到的流速为0.483 m/s，这导致了混凝土立方体A发生移位。而在相同的玻璃水槽中观察到的导致混凝土立方体B移动的流速为0.532 m/s。在同等情况下，对于混凝土块C，在完全相同的水槽中观察到的流速为0.564 m/s，也导致混凝土块发生位移。综合实验结果可知，流速与明渠水流截面积成反比，流速随明渠水流截面积的减小而增大，而流量Q与水流流速成正比。移动混凝土块A的水流拖曳力FD为2.737 N，移动混凝土块B的水流拖曳力FD为3.320 N，移动混凝土块C的水流拖曳力FD为3.732 N。实验表明，水流拖曳力将导致混凝土立方体在宽0.3 m的水槽中开始移动。

表3 水流对3块混凝土立方体A、B、C的平均拖曳力FD

3.3 流速对拖曳力的影响

图5为流速对水流拖曳力的影响。由图5可以看到，拖曳力随着流速的增加而增加。相对于A块和B块的拖曳力和流速，水流对C块的拖曳力最大，同时对C块的位移速度也最大。因此，水流对混凝土块的拖曳力与流速成正比。

图5 流速对混凝土块拖曳力的影响

3.4 混凝土块质量对拖曳力的影响

图6为混凝土立方体的质量对水流拖曳力的影响。其中，混凝土立方体C质量最大，为7.847 kg，移动混凝土立方体C需要相当于3.732 N的水流拖曳力；而混凝土立方体A质量最轻，为6.486 kg，移动需要等于2.737 N的水流拖曳力；混凝土立方体B质量在A与C中间，为7.582 kg，移动需要等于3.32 N的水流拖曳力。综合实验结果可知，移动混凝土立方体所需流动水的拖曳力与混凝土立方体的质量成正比。与此同时，拖曳力的效果还取决于拖曳力将其移动的物体方向及其表面粗糙度。

图6 质量对混凝土块拖曳力的影响

4 结 论

流动的水对混凝土立方体产生沿流动方向的力，称为拖曳力。本研究解释了流速和混凝土立方体质量对水流拖曳力的影响。实验结果表明，水流拖曳力随着流速的增加而增加，通过研究可以预测，河床单位面积水流拖曳力与流速的平方成正比。速度与水流横截面积成反比，即流速随着水流横截面积的减小而增加，而流量与水流速度成正比。混凝土立方体的质量是影响混凝土立方体因水流产生的拖曳力的一个重要因素。因此，最大质量为7.847 kg的混凝土立方体C需要更大的拖曳力才能将其从原位移走。结果表明，每块面积为0.022 35 m2、质量在6.486～7.847 kg之间的待移位混凝土立方体需要2.737～3.732 N之间的水流拖曳力。