水流拖曳力對混凝土塊影響實驗研究

曹忠華

(南平市武夷新區創業服務中心，福建 南平 354200)

1 概 述

全球變暖導致的氣候變化，使世界上許多國家每年發生洪水的頻率顯著增加。極端的氣候變化可能導致極端的氣候條件，包括全球變暖導致降雨增加，從而導致河道和河流沿線降雨強度增加，導致洪水，進而導致混凝土基礎設施的腐蝕和破壞[1-2]。事實上，在以往的研究及實際工程中，眾多學者已經發現在混凝土結構的設計中考慮洪水風險是十分有益的，因為它將有助于統籌管理洪水范圍內的影響[3]。因此，通過估算不同水流流速、流量和水流深度對混凝土立方體的水流拖曳力，可以預測混凝土結構的抗洪能力。

水的流動狀態可以分為層流、過渡流和紊流[4-5]。當水流流速很小時，流體分層流動，流動的顆粒看起來是在一個確定的平滑路徑上移動，并且流動看起來是一層一層的運動，那么這種流動就是層流，或稱為片流；當流速逐漸增大，流體的流線開始出現波浪狀的擺動，擺動的頻率及振幅隨流速的增加而增加，此種流況稱為過渡流；流速繼續增加，當流速大到一定值時，流線不再清楚可辨，流場中有許多小漩渦，流動粒子在時間或空間上表現為不固定的、不規則路徑上的運動，則稱為紊流，又稱為亂流、擾流或湍流。黏性力和慣性力的相對大小決定了流動是層流或紊流。有學者通過實驗研究了流過有機玻璃圓柱體的阻力系數，發現更高的流速會增加阻力系數[6]。

本研究對移動立方體混凝土塊所需的拖曳力進行估算，從而幫助研究人員將理論表達式與實際流動情況聯系起來。阻力也是土木工程師在設計河岸和海岸保護系統時的一個重要參數。因此，本研究旨在估算因流水而導致混凝土砌塊位移的拖曳力。此外，研究混凝土塊的質量和水的流速如何影響流動水的拖曳力。

2 研究方法

本研究的方法是通過實驗方法進行的。本研究使用的主要設備和材料是透明玻璃明渠水槽和3種質量互不相同的立方體混凝土塊。在本項研究使用的3個大小相近、質量不同的混凝土立方體見圖1。為便于區分，將3個混凝土立方體分別標記為立方體A、立方體B和立方體C。實驗過程中，在長10 m、寬0.3 m、深0.46 m的水槽中間安裝放置混凝土立方體塊，見圖2。分別對A、B、C這3個混凝土立方體的流動實驗依次重復3次，通過取平均值的方式以確保一致性，排除偶然因素對實驗的影響。

圖1 實驗所用3塊混凝土立方體的尺寸及質量示意圖

圖2 明渠水流玻璃水槽

表1列舉了基于弗勞德數Fr和雷諾數Re確定的明渠水流不同的流動狀態。

表1 明渠中的流動狀態

根據經驗公式，拖曳力可由以下公式進行計算：

其中：FD為水流拖曳力；A為面向流動方向的混凝土立方體面積；ρ為水的密度；V為水流流速；CD為阻力系數，且由經驗可取CD=1.05。

3 結果討論

3.1 流動狀態、雷諾數Re、弗勞德數Fr與流量Q的關系

通道內的流動狀態由弗勞德數Fr和雷諾數Re決定。表2給出了基于弗勞德數和雷諾數的不同流量、不同深度和不同流速下沿長10 m、寬0.3 m的明渠水槽的流動狀態。當500

表2 基于弗勞德數和雷諾數的流動狀態

圖3為弗勞德數與流量的關系曲線。分析圖3中結果顯示，弗勞德數隨流量增大而增大。在小流量時，隨著流量增大，弗勞德數變化劇烈，且呈線性增大趨勢；當流量持續增大到一定值，弗勞德數的增長趨于平緩。圖4顯示了雷諾數和流量之間的關系。由圖4可知，雷諾數隨流量的增大而增大。不同于弗勞德數隨流量的變化規律，隨著流量增大，雷諾數一直保持線性增加。

圖3 弗勞德數Fr與流量的關系曲線

圖4 雷諾數Re與流量的關系曲線

3.2 水流拖曳力的估算

表3是本文為觀察水流對3塊不同混凝土立方體分別進行的3組實驗后，對流速和水流拖曳力平均后得到的實驗結果。通過對每個混凝土立方體上的每個流動實驗重復3次，并對實驗結果計算平均流速V(m/s)和平均拖曳力FD(N)，以確保結果一致性。對于混凝土立方體A，在寬0.3 m的透明明渠玻璃水槽中觀察到的流速為0.483 m/s，這導致了混凝土立方體A發生移位。而在相同的玻璃水槽中觀察到的導致混凝土立方體B移動的流速為0.532 m/s。在同等情況下，對于混凝土塊C，在完全相同的水槽中觀察到的流速為0.564 m/s，也導致混凝土塊發生位移。綜合實驗結果可知，流速與明渠水流截面積成反比，流速隨明渠水流截面積的減小而增大，而流量Q與水流流速成正比。移動混凝土塊A的水流拖曳力FD為2.737 N，移動混凝土塊B的水流拖曳力FD為3.320 N，移動混凝土塊C的水流拖曳力FD為3.732 N。實驗表明，水流拖曳力將導致混凝土立方體在寬0.3 m的水槽中開始移動。

表3 水流對3塊混凝土立方體A、B、C的平均拖曳力FD

3.3 流速對拖曳力的影響

圖5為流速對水流拖曳力的影響。由圖5可以看到，拖曳力隨著流速的增加而增加。相對于A塊和B塊的拖曳力和流速，水流對C塊的拖曳力最大，同時對C塊的位移速度也最大。因此，水流對混凝土塊的拖曳力與流速成正比。

圖5 流速對混凝土塊拖曳力的影響

3.4 混凝土塊質量對拖曳力的影響

圖6為混凝土立方體的質量對水流拖曳力的影響。其中，混凝土立方體C質量最大，為7.847 kg，移動混凝土立方體C需要相當于3.732 N的水流拖曳力；而混凝土立方體A質量最輕，為6.486 kg，移動需要等于2.737 N的水流拖曳力；混凝土立方體B質量在A與C中間，為7.582 kg，移動需要等于3.32 N的水流拖曳力。綜合實驗結果可知，移動混凝土立方體所需流動水的拖曳力與混凝土立方體的質量成正比。與此同時，拖曳力的效果還取決于拖曳力將其移動的物體方向及其表面粗糙度。

圖6 質量對混凝土塊拖曳力的影響

4 結 論

流動的水對混凝土立方體產生沿流動方向的力，稱為拖曳力。本研究解釋了流速和混凝土立方體質量對水流拖曳力的影響。實驗結果表明，水流拖曳力隨著流速的增加而增加，通過研究可以預測，河床單位面積水流拖曳力與流速的平方成正比。速度與水流橫截面積成反比，即流速隨著水流橫截面積的減小而增加，而流量與水流速度成正比。混凝土立方體的質量是影響混凝土立方體因水流產生的拖曳力的一個重要因素。因此，最大質量為7.847 kg的混凝土立方體C需要更大的拖曳力才能將其從原位移走。結果表明，每塊面積為0.022 35 m2、質量在6.486～7.847 kg之間的待移位混凝土立方體需要2.737～3.732 N之間的水流拖曳力。