钉螺动水沉速的试验研究
1.动水沉速理论及动水沉速公式
物体在流动水体中沉降，是江河中常见的一种现象。动水沉速的物理意义概括起来说，就是指物体（包括钉螺）在流水中向下运动的速度。物体在紊流中下沉，一般受重力、惯性力、紊动向上的上举力和阻力这四种力的综合作用。在水流雷诺数不太大（Re＜4×104）条件下，上举力相对重力和惯性力小得多，因而可以略去不计，则主要的作用力是重力、惯性力和阻力三项。假定钉螺在流水中以等速直线运动方式下沉，根据惯性定律，可以推导得钉螺动水沉速的基本公式为：
式中 K1、K2、K3——具有明确物理意义的无因次参数；
Sp——水流作用面的投影面积；
Sb——螺体运动方向投影面面积；
ψp——水流作用面形状修正系数；
ψb——钉螺运动方向形状修正系数；
Cp——作用力系数；
Cb——动水沉降阻力系数。
由于钉螺的几何形状为圆锥体，而它在动水中沉降方向也和在静水中一样，一般以水平形式下沉，故水流作用于螺体面的投影面积Sp和阻力方向投影面积Sb为等值，即K1的值可以取其等于1。同样，圆锥体的各个侧面都是对称的，因而K2的值也可取其等于1。K3的取值比较困难，因为迄今尚无适当的方法和仪器分别测出作用力系数和阻力系数的值。但是从相对运动分析，这两者的物理性质并无差异，它们的差别仅在于数值上可能有所不同，即Cp=Cb、Cp＞Cb、Cp＜Cb三种情况都有可能，因此K3也可能出现三种情况：K3=1、K3＜1、K3＞1。鉴于当前的测量水平，目前只能暂时采用K3=1。
参考麦克诺恩等人的试验，形状修正系数采用ψb=φ=
，并用式（3-2）、式（3-3）两式表示V和Sb的值，则式（3-14）可简化为：
式（3-15）为钉螺动水沉速应用公式，该式的应用需通过水槽试验确定其中的主要参数，即动水沉降阻力系数Cb的值。
2.钉螺动水沉速试验
（1）试验设备
钉螺动水沉速试验在玻璃水槽内进行，主要设备是玻璃水槽。水槽总长度36m，包括量水堰、进口消能段、玻璃观测实验段和尾门段。其中玻璃观测实验段长24m，为平底矩形断面，横断面几何尺寸为60cm×60cm。
附属设备有水泵房、工作水池、回水渠及供水设备。供水设备用两台离心式水泵，最大供水流量340L/s，总功率75k W。此外还配有电动阀门、电磁流量计等。
（2）试验方法
将钉螺投入流动水体中就可以测量它在流动水中的沉降速度。根据水槽可以提供的水力条件，按不同的水深和流速组合设置14个试验组，每组投放大小不同等级钉螺10颗，每颗钉螺重复进行10次投放试验，取总试验次数的平均值。
试验时首先按预先设计的水力条件在水槽内放水，待槽内水流稳定后再投放钉螺，投放钉螺时仍按螺口向下、向上和平放三种方式投放。各试验组的水力要素、钉螺大小及投螺数量列入表3-4。(https://www.daowen.com)
表3-4 动水沉速试验水力要素及投螺情况表
（3）试验成果
钉螺在流动水体中沉降表现有以下特点：
——钉螺在动水中的下沉方式与在静水中下沉方式一样，一般以水平形式下沉，水流作用方向的投影面和螺体前进方向的投影面均为钉螺的侧截面。
——钉螺在下沉过程中一般能保持平稳状态，但个别钉螺略有摆动。
——在水流流速小于10cm/s时，钉螺下沉到水底后立即停止运动，不产生位移；在水流流速大于10cm/s时，钉螺下沉到水底后出现滑动或滚动现象，滑动或滚动距离随流速的增大而加长，在遇到河底有障碍物时，钉螺才停止滚动。
——钉螺下沉运动的轨迹，在流速小于10cm/s时接近于直线运动；当流速超过10cm/s时，钉螺的运动轨迹略呈抛物线型。
——钉螺的落底点与投螺中心线的偏离不大，左、右偏离一般在5cm以内。
——在水流流速较大，紊动强度较高（如水流雷诺数Re＞4×104）时，钉螺脱离水面后虽然最终也沉到水底，但呈现“漂移”现象，出现阻力系数为虚数，说明需要考虑水流紊动对钉螺沉降的影响。
钉螺动水沉速的主要参数变化范围列入表3-5。
表3-5 钉螺动水沉速主要参数变化范围表
3.钉螺动水沉降阻力系数的选择
根据对动水沉速试验资料分析，发现钉螺动水沉降阻力系数一般都很小，Cbmin=0.11，而Cbmax=1.53，最大值与最小值相差约14倍。为了探求钉螺动水沉降阻力系数变化规律，点绘Cb—Red和Cb—U两种关系，结果发现，在Cb—Red关系中，Cb的值虽有随Red的增大而减小的趋势，但关系十分微弱，相同的Red值Cb相差较大，故不能采用Cb=f（Red）函数关系形式。而在Cb—U关系图上，Cb随U的增大而逐渐减小的趋势表现比较明显。因此，先将试验范围内的水流流速划分为3级：第Ⅰ级为U＜7.30cm/s；第Ⅱ级为7.30＜U＜20.0cm/s；第Ⅲ级为U＞20.0cm/s。然后再按测次顺序点绘Cb—U关系过程线，如图3-11所示。图3-11表示，Cb具有随U值的增大而减小的明显趋势。再用统计方法进行统计得各流速级的平均动水沉降阻力系数为：
图3-11 Cb—U关系图
Ⅰ级 U＜7.30cm/s Cb-Ⅰ=0.77
Ⅱ级7.30＜U＜20cm/s Cb-Ⅱ=0.53
Ⅲ级U＞20.0cm/s Cb-Ⅲ=0.30
计算时就可根据流速的大小来选择式（3-15）中的阻力系数。
