淤泥质海岸河口悬沙回淤模型相似律探讨

在盐水条件下粘性细颗粒泥沙将发生絮凝，基本沉降单元不再是单颗粒泥沙，而是絮团，床面泥沙的起动悬扬特性也不同于粗颗粒泥沙本文主要探讨模拟近海条件下淤泥质港口航道悬沙回淤模型试验相似律，根据细颗粒泥沙动水条件下絮凝沉降特点，提出需要满足的相似条件和相关系，并将之用用皇连云港，厦门港等物理模型，取得较好效果。     

电离作用下黏性细颗粒泥沙絮凝沉降数值模拟

基于分形理论构建泥沙颗粒的絮凝沉降模型,从三维角度动态模拟絮团在布朗运动、颗粒静电力和重力作用下的发育、沉降过程.研究结果表明:絮团形态与泥沙颗粒的表面电荷量有关,电荷量越大,絮团形态越开放;不同带电量泥沙颗粒的絮凝速度与沉降速度具有差异性,表面电荷量越大絮凝沉降速度越缓慢;泥沙颗粒的带电量对絮团平均粒径分布有显著影响,不同带电量下絮团达到最大直径所需时间不同.研究成果进一步揭示了天然河流中黏性细颗粒泥沙絮凝现象的内在机理.     

紊动对黏性泥沙絮凝沉降影响的实验研究

在圆柱形沉降筒中利用多层格栅产生近似各向同性紊流场,研究盐水和淡水中紊动对黏性泥沙絮凝沉降的影响,分析絮团粒径、体积含量和泥沙浓度变化.研究结果表明:在相同剪切率条件下,和在淡水中相比,盐水中黏性泥沙絮凝时间缩短,絮团粒径增加,然而盐度对絮团体积含量影响并不明显;最大絮团粒径随着紊动剪切率的增加先增大后减少,最大絮团粒径对应的紊动剪切率在盐水中为20.8,s-1,淡水中为15.6,s-1;随着紊动剪切率的增加,水体中泥沙平衡浓度增大,达到平衡所需要的时间缩短.     

近临界弯曲比率水槽水流与近床剪应力特性

床面剪应力诱发了水流垂向上流速分布不稳定性,压力和向心力不均则促使水流形成了弯道二次流.通过试验,研究了近临界弯曲比率(R/B=3)条件下,小宽深比(B/H=2)水槽中水流变化及泥沙输移特性.研究结果表明:二次流强度最大值出现在弯顶区域,床面剪应力最大值出现在弯顶偏凸岸一侧.弯道床面附近,不同层面上的剪应力最大值,从上游到下游先增大后减小;不同平面动力轴线随层面的高度增加而向凹岸偏离.二次流在不同断面形成不同的涡核,在弯道入口附近产生分离而在弯道下游逐步发展,涡核合并,二次流强度在弯顶区达到最大值.最后对二次流和床面剪应力作用下的床面形态结果进行分析.     

冲积床面上明渠水流湍流特性及其与底层泥沙起动关系的试验研究

利用声学Doppler测速仪测量了明渠水流在不同水深、流速、泥沙粒径情况下的瞬时流速分布和泥沙起动流速,研究了可动粗糙床面明渠水流的湍流特性.利用实测断面流速分布,采用非线性回归拟合出对数律流速分布的各参数,进而参照Эегжда的实验曲线研究了冲积床面上明渠的阻力分布规律,计算出各断面的相对脉动强度、Reynolds应力、湍流动能,并对各种不同情况下的明渠湍流分布规律进行了比较,描述了各粒径泥沙在不同水深情况下的起动流速以及泥沙起动时明渠底层各湍流特征的变化情况,研究探讨了冲积床面上明渠湍流各特征量的变化分布规律以及泥沙起动与水流湍流特性的内在关系.     

分水角度及侧渠底高对分水口流速分布影响研究

目前对分水口水流结构研究多集中在分水角度为直角的工况，对于受地形条件限制，侧渠道与主渠道底部非等高、非直角分水角的工况缺乏系统性研究.在试验的基础上，利用FLOW-3D数值模拟软件对不同分水角度下矩形渠道分水口进行模拟.结果表明：60°分水角有利于主渠道分水排沙，水流横向流速最大值多位于水面或近表层，悬移质泥沙颗粒易进入侧渠道，近底层水流纵向流速梯度较大，床面泥沙颗粒容易流向主渠下游，分水口处不易形成淤积；侧渠底高(堰坎)存在时，靠近分水口处水流横向流速分层较为明显，主渠道分水排沙效果较好；水流动力轴线的位置和偏转幅度改变了分水口区域的流速分布，进而影响主渠道分水量和床面泥沙的冲淤.该研究为灌区引水及水量分配提供了参考.     

刚性沉水植物影响下波浪传播及泥沙悬浮数值模拟

由于植物引起的紊动作用,含刚性植物床面中悬浮泥沙浓度与无植物裸床相比显著增加,而通过平均流速计算底床切应力的传统泥沙模型无法模拟出该现象。因此,在含植物水流水沙运动物理模型试验的基础上,构建了基于Flow–3D的含刚性沉水植物条件下波浪传播的三维数学模型,模拟了植物影响下波浪动力特征和泥沙悬浮过程,同时从紊动能角度修正希尔兹数,对泥沙模块进行了改进。与实测数据相比,该模型可较精确地模拟出植物引起的整体水流流速减小和局部冠层顶部处的流速增大、水体紊动增强以及紊动能在波周期内出现两个峰值的现象。与原始泥沙模块相比,改进的模型考虑了植物尾流紊动对泥沙运动的影响,可提高含植物床面泥沙悬浮模拟的精度。     

絮团稠化对全尾砂浓密性能的影响

基于全尾砂浓密过程料浆质量分数高,尾矿絮团无法直接观测,而取样稀释再进行测试分析难以避免误差,借助FBRM和PVM实时在线监测和分析系统,观测全尾砂浓密过程耙架剪切应力和重力耦合作用下絮团颗粒结构和粒度的变化。研究结果表明:在泥层高度分别为25,45和70 cm的3个全尾砂浓密阶段内均保持耙架转速为15 r/min的试验条件下,直径在100μm以上的絮团逐渐破裂重构而数量减少,直径在10μm以下絮团数量相应增加,松散的大絮团逐渐演化成为密实的小絮团;絮团有效直径随剪切时间延长和泥层高度增加而减小,絮团稠化速程度随泥层高度上升而加快;有效干涉沉降系数是基于絮团有效直径的函数,随剪切时间延长和泥层高度增加呈现先增大后稳定的趋势。     

细颗粒泥沙絮团粒径计算新方法

通过分析絮团在沉降过程中所受不同性质的力与絮团形状参数之间的关系,提出了一套新的絮团粒径定义方法.以两种不同性质的泥沙为对象,使用新定义与传统的等效圆定义分别计算了泥沙絮团二维图像的粒径,并对比了两种结果的优劣.研究结果表明:与传统定义相比,新定义的计算结果更加符合实测沉速的分布规律,计算精度也有较大幅度提升;当计算形状不规则絮团的沉速时,提升幅度要明显大于平均提升幅度;与传统定义相同,当使用新定义计算絮团沉速时,小颗粒絮团的计算结果要优于大颗粒絮团.     

光滑壁面明渠水流的三维格子玻耳兹曼模拟

明渠水流与泥沙运动、河床演变等问题密切相关,明渠水流特征的研究对于揭示明渠水流作用下的泥沙运动机理具有十分重要的意义.为此.应用新型数值模拟方法三维格子玻耳兹曼方法对明渠均匀流进行了研究.首先介绍了格子玻耳兹曼方法的理论基础、边界条件处理以及流动的驱动方式,接着分别模拟了明渠层流和光滑壁面紊流的近底水流运动.结果表明,得到的明渠层流流速和切应力分布与解析解吻合较好,同时较好地反映了光滑壁面明渠紊流的流速分区结构、紊动特性和阻力规律,从而说明格子玻耳兹曼方法在明渠水流模拟中具有较好的适用性,为进一步采用该方法研究明渠流近底泥沙颗粒运动机理奠定了基础.     

光滑壁面明渠底壁切应力试验研究

在分析Preston管量测试验资料的基础上,对比了明渠均匀流和非均匀流的底壁切应力在不同水力条件下的规律,指出断面中心处底壁切应力、平均底壁切应力和切应力的分布等几个切应力公式在均匀流时适用,在非均匀流时不全适用.均匀流时,切应力在同一坡度下随流量的增加而增大,在同一流量下随坡度的增加而增大;非均匀流时,在相对水深相同时,其相对底壁切应力大致相同.     

水处理絮凝动力学模型研究与应用

对Smoluchowski模型、层流模型、各向同性紊流模型、颗粒直线与曲线模型和絮凝体破碎模型等絮凝动力学模型及其特点、适用条件与应用情况进行分析;提出随着分形理论在絮凝过程中研究与应用的深入,絮凝动力学模型将在研究絮凝体密度测定和水流紊动强度影响、絮凝体成长与破碎过程关系、絮凝体形成和密实结构的工艺条件等方面有新的突破.     

A numerical study of cavitating flows in high-pressure diesel injection nozzle holes using a two-fluid model

Cavitating flows inside a diesel injection nozzle hole were simulated using a two-fluid model. Attention was focused on the complex cavitation processes and flow characteristics under constant inlet pressure and fluctuant inlet pressure modes. To validate the two-fluid model, model predictions were compared with the experimental data available in the literatures, and good agreement was achieved. The numerical results show that the appearance of supercavitation in the diesel nozzle hole induces obvious changes of flow field structures and exit flow conditions. The distributions of liquid phase turbulent kinetic energy and exit velocity profiles corresponding to the supercavitation regime indicate the potential for promoting the primary breakup of a diesel jet. Furthermore, the upstream pressure fluctuations significantly influence the cavitation processes. Both partial cavitation and supercavitation show unsteady behaviors as the rapid rise or fall of upstream pressure. Supported by the National Natural Science Foundation of China, Key Project Funding (Grant No. 50636040) and Major State Basic Research Development Program (Grant No. 2007CB210001)     

局部高剪切区中小尺度扰动的混沌行为

研究空间局部高剪切区中小尺度扰动随机的物理机制。方法对小尺度运动四波相互作用模型进行数据分析。结果在速度剪切增大到一定程度时,将会出现小尺度扰动的混沌行为,它导致局部高剪切区中湍斑的产生。     

水流对破坏后河床演变的作用

河床因自然或人为作用会发生破坏。将破坏后河床地形概化为三角形坑,通过水槽试验和数值模拟研究了清水和动床两种水沙条件下坑形河床的演变。采用垂向二维水流数学模型计算得到了不同时刻下坑周围的流速与河床切应力分布,分析了导致河床演变的原因。研究表明:清水冲刷条件下破坏后河床仅在坑缘口处有冲刷侵蚀,是由于此处强切应力所致;动床冲刷条件下坑内流速很小,坑上游来沙在坑内淤积,同时坑下游边坡长距离冲刷显著;河床演变达到平衡状态时,局部切应力仍大于均匀流切应力。     

WC-CMPS法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法,由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。本文采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式(Weakly Compressible Corrected Moving Particle Semi-implicit Method)法构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WC-CMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

粗粒盐渍土大型冻融循环剪切试验

针对冻融循环后粗粒盐渍土的强度将直接影响盐渍土地区路堤的稳定性,而采用常规剪切试验将导致粗粒盐渍土的颗粒效应问题,基于西北地区粗粒盐渍土的冻融特点和剪切试验原理,设计研发了将冻融循环试验和剪切试验结合的大型粗粒土冻融循环剪切试验装置,可有效测试在不同温度条件下材料的强度特性。依托某公路盐渍土试验段项目,采用天然粗粒盐渍土模拟下路堤,测试其在经过冻融循环后的强度变化特点,并利用测试数据进行实际工况的数值计算。结果表明：随着冻融循环次数的增加,靠近冷端土体的粘聚力逐渐增大,内摩擦角先减小后增大;靠近暖端的土体强度逐渐减小,9次冻融循环后,靠近暖端的土体内摩擦角有一定增大;采用该天然粗粒盐渍土填筑的下路堤的强度变化量较小,路堤强度基本稳定。     

基于絮凝体分形控制的絮凝动力学指标研究

针对目前絮凝工艺的动力学控制指标和絮凝体形态学研究的不足,基于分形理论,应用分形维数描述絮凝体的形成和成长,进行了絮凝动力学指标的研究.利用数学分析方法,推求絮凝体的密度和强度的表达式,得出絮凝体的密度和强度是分形维数的函数,同时絮凝体的强度与水体的能耗成反比.通过量纲分析方法,得出絮凝体分形维数是能耗GT与剪切强度Fr的函数,进而确立絮凝动力学控制指标为G、GT和Fr,以期为工艺设计和运行提供了科学依据,为实际工程应用提供了合理的指导.通过形态学和动力学两方面的研究表明,高效的絮凝过程需要控制一定的G、GT和Fr的递减梯度,并保证絮凝体达到一定的分形维数Df.     

Sediment dynamic responses of coastal salt marsh to typhoon “KAEMI” in Quanzhou Bay, Fujian Province, China

−In order to understand the mechanisms of coastal protection by salt marshes during typhoon events, in situ measurements of water level, tidal current speed and direction, and suspended sediment concentration (SSC) were carried out using Electromagnetic Current Meter (EMCM, AEM HR), miniature pressure sensor (MkV/D) and Seapoint Turbidity Meter (STM) sensor on a tidal flat in Quanzhou Bay, during the period when the typhoon “KAEMI” was passing through the region. The analysis of the data obtained shows that the near-bed current speed within the Spartina alterniflora marsh was generally below 5 cm s⁻¹, which was apparently smaller than on the adjacent bare flat (i.e. 5―30 cm s⁻¹). The change in the near-bed current speed in response to the typhoon event was not significant within the S. alterniflora marsh, but the current direction was influenced by the typhoon. The effect of the typhoon on the SSC was highly significant, with the SSC reaching 13 to 19 times the values on the bare flat or within the marsh under fair weather conditions; the near-bed SSC within the marsh was higher than on the bare flat, after the typhoon landed. The near-bed suspended sediment fluxes within the marsh and on the bare flat during the typhoon event were both enhanced, i.e., 4 times larger than under fair weather conditions. During the ebb, the bottom shear stress on the bare flat exceeded the critical shear stress for sediment motion for most of the ebb duration of the tide and, therefore, the bed sediment was eroding, with the erosion flux after the typhoon landed being around 2 to 3 times the value associated with fair weather conditions. In contrast, within the S. alterniflora marsh, the bottom shear stress was mostly lower than the critical shear stress for sediment motion, or lower than the critical shear stress for the maintenance of suspension; hence, the marsh surface was dominated by settling processes, with a settling flux during the typhoon being 3 to 6 times compared with the fair weather situations. The settling flux during the ebb was up to twice the magnitude for the flood. The comparison of sediment dynamic processes between the S. alterniflora marsh and the bare flat demonstrates that during the typhoon event the bare flat was dominated by erosion, whilst the presence of S. alterniflora favored the accretion of suspended sediment.     

浇注式沥青混合料抗剪强度及标准研究

采用单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验分析了加载速率、油石比、温度、级配类型及沥青种类对浇注式沥青混合料的抗剪强度的影响.通过有限元数值计算获得钢桥面铺装结构中浇注式沥青混合料的抗剪强度参数,绘制出不同荷载作用下的混合料抗剪强度标准曲线,并结合试验对混合料抗剪强度指标进行了验证.研究表明,由于自身材料组成特点,浇注式沥青混合料抗剪强度参数在不同因素影响下呈现一定的特殊变化规律,虽然浇注式沥青混合料满足荷载条件下的抗剪强度要求,但黏聚力不足会引起混合料剪切流动变形.在浇注式沥青铺装设计中,分析因为考虑抗剪强度不足引起混合料剪切流动变形时需同时考虑混合料黏聚力和摩擦角.