大尺度粗糙床面明渠水流在天然山区河流和河工模型试验中很常见,该水流的流速分布、紊动结构和阻力系数均异于小尺度粗糙床面明渠水流,大尺度粗糙床面水流特性研究对于山区河流开发与河工模型研究具有重要意义,但目前相关研究仍较薄弱,还有待深入,为此,本文通过水槽试验研究大尺度粗糙条件下颗粒形状、排列间距对明渠水流结构的影响以及梅花形加糙床面排列密度对明渠水流结构与阻力特性的影响,主要研究成果如下:(1)应用椭圆阈值法对基于多普勒效应测量的流速信号进行毛刺处理,采用db3小波阈值消噪法消除高频噪音,得到了高质量的流速数据。(2)各种形状的单颗粒周围水面均会形成开口向下的U形绕流波动。纵向流速平面分布在正方体和四面体周围呈椭圆形,在球体周围呈开口向上游的钟形。流速较小时,纵向平均流速在各垂线均呈线性分布;流速较大时,正方体颗粒下游纵向平均流速垂线分布先呈S形后呈线性分布,球体和四面体颗粒下游均呈线性分布,且3种形状下,越向下游,垂线上纵向流速分布越均匀。在低速情况下,正方体颗粒周围紊动强度垂线分布比较均匀,球体和四面体颗粒周围紊动强度从水面到槽底逐渐增大;流速较大时,紊动强度垂线均分布较为均匀。(3)横排双颗粒随着间距的增大,周围水面绕流波动形状会由1个U形变为2个U形,中垂面纵向流速垂线分布由线性分布变为均匀分布,且中垂面紊动强度变小;横排间距对纵向流速平面分布的影响在颗粒顶部以上时要比在颗粒顶部以下时大。(4)纵排双颗粒会在上部颗粒下游沿程形成多个水面起伏的U形波动;纵排间距对双颗粒上下游纵向流速垂线分布和紊动强度影响较小,纵排间距的增大会减弱颗粒间的紊动强度。(5)梅花形加糙床面排列密度的增大会减弱水面波状起伏的波幅;纵向流速的纵向梯度与Fr正相关与散粒体排列密度负相关;纵向流速垂线分布为线性分布;紊动强度和紊动切应力在颗粒顶部以上区域服从线性分布,3个方向脉动流速的均方根比较接近。(6)基于本文水流阻力试验资料,修正了Stefano Pagliara公式,得到新的大尺度粗糙床面水流阻力系数计算公式。