双重障碍物对开闸式异重流运动特性的影响

异重流现象广泛存在于自然环境和水利工程中。现实工况中，底床设置障碍物是抑制异重流侵袭的有效手段，因此研究障碍物对异重流运动特性的影响具有实际工程价值。采用开闸式异重流实验，对比不同障碍物间距及高度对异重流最大扩散高度、头部速度等方面的影响，从而得到双重障碍物最优工程布置方案；分析异重流在障碍物上下游区域的速度剖面及其越过障碍物时的涡度场；对比无障、单一障碍物、双重障碍物工况对异重流掺混系数的影响。结果表明，双重障碍物最优布置方案为第一障碍物高于第二障碍物，障碍物间距要尽可能大，但应保证异重流遇到第二障碍物之前未恢复典型头部形态；在双重障碍物上游区域，异重流速度剖面出现畸变，畸变范围大致与障碍物等高，主流速度衰减明显，在障碍物下游区域，完成形态重塑的异重流，其速度剖面均存在明显的壁面区和射流区；相对于无障和单一障碍物工况，流经双重障碍物的异重流厚度明显变小；越障前后，异重流掺混系数呈现“M”型分布，越过第二障碍物后异重流的掺混速率明显大于第一障碍物。结果可为防治异重流灾害及保证水利工程安全等领域提供参考。     

浸没及非浸没刚性短植被群对异重流运动特性的影响

利用一系列开闸式异重流水槽实验,研究不同刚性植被密度和高度的短植被群对异重流运动的影响.通过高速摄像机拍摄异重流的运动过程,利用粒子图像测速技术得到局部流场结构.结果表明:异重流在流经短植被群时,存在半椭圆形和三角形两类轮廓;运动过程分为坍塌阶段和自相似阶段,并且植被可以显著促进异重流从坍塌阶段向自相似阶段的转换,但对坍塌阶段的头部速度影响不显著.当无量纲植被高度(植被高度与水深比值)为0.21,植被密度为18.0%时,异重流会同时沿着植被上方及植被间运动,植被上方的异重流密度较植被内大,因此会产生瑞利-泰勒不稳定性.此外,异重流在植被区域流动的掺混系数随头部位置而递减,且较无植被情况小.在流入浸没式植被后,异重流会以植被顶部为新的"底部边界",形成负涡度带,但植被顶端的异重流仍与环境水体发生掺混形成正涡度带.植被会减缓异重流运动速度,进而降低正涡度带的强度,并且植被密度与正涡度的抑制程度成正相关.     

浸没式植被对异重流运动特性的影响

为研究异重流流经浸没式植被时的运动特性,以天然河道中的植被为原型,对植被环境中异重流的运动规律进行了试验研究,并采用异重流头部(最前缘)速度代表其运动速度.研究结果表明,异重流流经短植被群(长度30 cm、高度3 cm)时大部分异重流在植被顶部向前运动,流过植被后依然保持典型轮廓,呈现一个先加速、后匀速、然后迅速减速、最后缓慢线性减速的运动过程;流经长植被群(长度80 cm、高度6 cm)时大部分异重流被阻挡于植被后方,仅有少部分异重流流出植被后缓慢向前运动,呈现先加速、后匀速、然后迅速减速、最后缓慢运动的过程.异重流运动过程分为坍塌阶段和自相似阶段,植被的阻挡效应可以减小坍塌阶段向自相似阶段的转化点,并且转化点与植被阻挡效应呈负相关,但与异重流浓度关系不显著.异重流与环境水体掺混界面涡度值为正,与水平底床界面涡度值为负;当植被的阻挡效应较强时,异重流流出植被后掺混和卷吸作用较弱,且出流量与异重流浓度呈正相关.     

异重流在不同粗糙底床上运动特性的实验研究

进行一系列开闸式异重流水槽实验,考虑三种不同底床粗糙度对异重流运动特性的影响.通过高速摄像机拍摄异重流的运动过程,并利用粒子图像测速技术(PIV)记录局部流场结构.结果表明:异重流运动过程分为滑塌阶段和自相似阶段,底床粗糙度可以改变异重流的运动状态,尤其是通过底床附加阻力降低异重流头部速度并迫使其更早进入自相似阶段,但是对滑塌阶段速度影响不显著.异重流的弗劳德数在滑塌阶段变化不显著,而在自相似阶段呈现递减趋势;掺混系数随头部位置和理查德森数增大均呈现递减趋势,而粗糙底床可以加强掺混,增大掺混系数.异重流上界面与环境水体掺混形成正涡度带,下界面由于底床无滑移条件和底床流场结构的多方向性形成正负涡度带交错的现象,并且异重流剖面速度峰值会出现抬升现象.     

泥沙侵蚀经验式经验系数不确定性对异重流数学模型的影响

文章应用基于贝叶斯定理的Metropolis-Hastings随机采样方法,结合现有异重流泥沙侵蚀实验数据,获取了异重流侵蚀公式(见式1)中经验系数(如N_1、N_2、A_3)的大量样本(样本总数15万)。统计表明,当A3=4时,占总样本数95%的N_1N_2取值组合中,N_1和N_2最大值分别是拟合最优值(即概率最大的N_1N_2值)的2倍和3.5倍。将样本值输入经典的异重流层平均数学模型,模拟陡坡上异重流演化过程,统计发现,1)计算异重流厚度、速度、浓度区间范围随运动距离的增加逐渐增大;2)采用概率最大经验系数值可能低估异重流厚度、高估异重流速度和浓度。对比表明,模型计算结果对N_1N_2取值的敏感度要远大于对A3N2取值的敏感度。     

异重流水卷吸经验式不确定性对层平均数学模型的影响

基于贝叶斯定理的Gibbs随机采样方法,结合现有异重流水卷吸实验数据,探讨了异重流水卷吸经验式中经验系数E_1和E_2的不确定性,获取的E_1和E_2样本总数为2×10~5.统计发现,其中概率最大的(E_1,E_2)样本取值与原式取值相近.将样本值输入异重流层平均水沙耦合数学模型,模拟陡坡上异重流演化过程.结果表明:计算异重流厚度、速度、泥沙体积分数、底床形变区间范围随运动距离的增加逐渐增大;采用概率最大经验系数值可能低估异重流厚度和泥沙体积分数,高估异重流速度和底床形变;95%样本输入异重流模型所得计算水力参数范围远大于25%样本所得计算水力参数范围,意味着模型对(E_1,E_2)的取值十分敏感.     

不同填土高度下钢波纹管变形与力学性状的数值分析

利用FLAC3D对填土高度1~10 m下的钢波纹管涵进行模拟,研究不同填土高度下钢波纹管的变形和力学性状.研究结果表明:钢波纹管顶部节点竖向位移最大值在路堤中心断面处,且当填土高度大于6 m时,竖向位移沿轴向逐渐减小趋势较为明显;填土高度小于6 m时,钢波纹管水平位移沿轴向变化较小;填土高度大于6 m时,水平位移变化较为复杂,出现两个拐点;同一填土高度下,钢波纹管路堤中心断面上半部分和下半部分60°~90°范围内弯曲应力较大,水平向弯曲应力最小,且上半部分与下半部分受力状态基本一致;路肩断面上半部分弯曲应力值基本不变,下半部分从0°~-90°范围内弯曲应力逐渐增大,且-60°~-90°范围内弯曲应力值较大,最大值出现在管底处;钢波纹管管顶轴向弯曲应力最小值出现在路肩断面处,最大值出现在路肩至管口范围内;当填土高度大于4 m时,水平节点轴向弯曲应力最大值出现在路肩至管口范围内;管底轴向弯曲应力最大值出现在路肩断面处.     

线性层结环境和浸没式植被对斜坡异重流运动的影响

开展一系列开闸式斜坡异重流水槽实验,分析线性层结和均匀水体中斜坡异重流遭遇刚性植被群的发展和演变特性.采用彩色数码相机记录异重流发展过程,并利用粒子图像测速技术(PIV)获取局部流场结构.结果表明:对于有植被工况,异重流的头部速度可分为加速、减速、二次加速及二次减速4个阶段.各阶段之间的转变位置随层结度增大而前移,但受植被密度影响不明显.在层结环境中,受植被群影响,异重流会出现"首次分离-前进-二次分离"现象.植被群削弱异重流涡度场的发展,随植被密度增大,该差异愈加显著.层结水体和植被群均会抑制异重流涡度场的发展,其中层结水体的抑制作用更强.     

管道中瓦斯爆炸过程的数值模拟

利用AutoReaGas软件对封闭的长直管道内瓦斯爆炸进行了数值模拟,研究了瓦斯的浓度对爆炸超压影响的规律. 在此基础上,进一步研究了障碍物个数和阻塞比对瓦斯爆炸超压和火焰传播速度的影响. 数值结果表明,在无障碍物的管道中,当瓦斯浓度为化学当量浓度时,爆炸超压值最大;在带有障碍物的管道中,火焰速度值随着障碍物数量的增加先增大后减小;当障碍物个数一定时,最大爆炸超压和火焰速度随阻塞比增大而增加.     

河口航道双丁坝影响下异重流运动特性

在河口地区，由密度梯度驱动而产生的异重流是影响航道内泥沙输移的重要因素之一。作为航道整治中常见的建筑物，丁坝群可以缓解航道的泥沙淤积问题、提高通航能力。为探究双丁坝对异重流运动特性的影响，运用粒子图像测速系统（PIV）开展了开闸式异重流实验，研究了在不同束窄系数情况下，航道异重流稳定阶段内的流场及湍流特性，并对比分析了异重流在两个丁坝位置特征断面处的单宽流量及总流量。结果表明，双丁坝改变了航道内的流场，异重流在经过束窄断面后会向第二个丁坝后部区域横向扩散，进而使得流速加大、高度降低；异重流在两个丁坝束窄断面的单宽流量近似相同，且与束窄系数无关；异重流在束窄断面的总流量与断面宽度成正比，在实际工程中可以通过适当调整丁坝长度来控制侵入航道的异重流总量。     

复杂峡谷地形条件下的桥上动车组横风气动特性研究

为研究桥上动车组穿越复杂峡谷地形时的横风气动特性,本文以CRH6型动车组为研究对象,基于三维、粘性、不可压缩的N-S方程和k-s湍流模型,采用滑移网格技术,耦合高架桥、横风和车速,计算复杂三维峡谷地形下动车组的气动载荷.研究结果表明:列车表面压力在流线型头部有显著变化,压力最大值出现在列车头部鼻端点区域;随着车速和横风风速的增加,压力最大值、整车侧向力、升力和倾覆力矩均呈现增大的趋势;对比分析发现,列车穿越峡谷中时,整车侧向力、升力和倾覆力矩都达到最值,且横风风速增大对列车气动力特性的影响远远大于车速增大对列车气动力特性的影响.本文研究结果可为复杂峡谷地形条件下的桥上动车组安全平稳运行提供理论依据.     

开闸式异重流锋速转变的一个判据

异重流是两种流体因密度差异产生的流动,是自然和工业生产部门中常见的现象.开闸式异重流是异重流研究的常用和典型模型.本文利用时间解析粒子图像速度仪(TR-PIV)测量了水槽中的开闸式异重流流场.实验中观察到异重流传播过程中从锋速,即头部速度为常数的初始坍塌阶段进入到锋速按时间的-1/3次幂递减的自相似阶段时,水平流速的速度剖面会发生振荡现象.该振荡是由开闸时传至左端壁而反射的波动引起的.这种振荡现象可作为开闸式异重流锋速转变的一个判据.     

粗糙底床对持续入流式异重流掺混和湍流特性的影响

在自然环境和水利工程中,异重流现象广泛存在.现实工况中,大多数底床覆盖砾石及不同粒径大小的泥沙颗粒,可视为粗糙底床,因此研究异重流流过粗糙底床的动力学特性具有实际科学意义及工程应用价值.本文利用持续入流式异重流水槽试验,综合考虑底床粗糙度和异重流初始质量分数,分析异重流头部位置、头部速度、掺混系数等扩散特性,不同断面的湍流强度及雷诺应力等湍流特性,结合雷诺应力法和湍动能法计算底床剪应力.结果表明:异重流头部速度与底床粗糙度呈负相关,与初始质量分数呈正相关;在高粗糙度、高初始质量分数工况时,底床粗糙度是控制其运动特性的主要因素;当粗糙度增加到一定程度时,异重流纵向时均流速剖面(沿水深分布)的峰值点出现"爬升现象";湍流强度剖面(沿水深分布)出现一个极小值及两个极大值,其中纵向湍流强度是异重流湍流结构的主导,粗糙底床上的垂向湍流强度相比于光滑底床增加幅度明显;靠近底床附近,雷诺切应力为正值,远离底床区域,雷诺切应力为负值;利用湍动能法计算的底床剪应力均小于同粗糙度下的雷诺应力法;在总体理查森数相同情况下,异重流掺混系数与底床粗糙度呈正相关.最后总结出粗糙底床对异重流的主要影响为:摩阻力增加、掺混作用强化、近底床区域密度重分布、湍流边界层变厚及纵向时均流速剖面峰值点"爬升现象"的出现.     

针对越野自主导航的障碍物检测系统

提出了一种基于多传感器信息融合的障碍物检测系统.由2个激光雷达、1个微波雷达以及1个陀螺仪构成.激光雷达中一个水平扫描用于检测凸起障碍物,另一个垂直扫描用于检测壕沟和陡坡等危险地形,并获得大致地形轮廓.融合地形高度和陀螺仪提供的车体俯仰角进行障碍高度补偿后,基本上消除了由于地面起伏导致的虚警.微波雷达主要用于检测和跟踪运动障碍.融合微波雷达获得的速度和激光雷达获得的轮廓信息,获得了更详细的运动障碍物描述.实验结果证明该系统是成功的.     

不规则波致沿岸流不稳定运动时空变化研究

基于Morlet小波与沿岸流不稳定运动流速时间历程形态相似的原则,采用Morlet复小波作为基小波,得到沿岸流不稳定运动流速时间历程的小波功率谱,以此分析了1∶100和1∶40平直斜坡不规则波条件下观测到的沿岸流不稳定运动时空变化特性,并分析了坡度对沿岸流不稳定运动时空变化的影响.通过分析各个波况下距岸线不同位置处小波谱能量分布的变化,得到沿岸流不稳定运动随时间、空间的变化特性,同时通过分析在坡度不同其它波况相近的情况下小波谱中能量分布的不同,得到坡度对沿岸流不稳定运动的影响.结果表明沿岸流不稳定运动随着时间的变化不会和低频波以及其它模式的低频成分有能量交换;随着距岸线距离的增大,沿岸流不稳定运动获得能量的时间提前,在时均沿岸流最大值附近获得能量最早;从地形影响角度看,地形坡度增大使得沿岸流不稳定运动在垂直岸线和沿岸方向的作用增大.该研究结果可以应用于沿岸流不稳定运动对近岸泥沙、污染物输移影响等的经验参数的标定.     

变流速比与宽度比条件下分汊河道分层流紊动特性

针对目前分汊河道分层流紊动特性研究的空白,通过物理模型试验探索分汊河道温差剪切分层流在不同上下层速度比与汊道宽度比影响下的紊动强度变化规律。结果表明:随着上下层流速比由大变小,汊道分层流发生从分层到混合的转捩。在混合流条件下,支汊沿程断面高紊动区由C形分布转变为倒C形分布,最终全断面紊动分布均匀;随着支汊宽度增大,高紊动区出现的断面位置呈现滞后性,且紊动能量值增大。其他分层流态条件下,强紊动能分布的范围和量值都有所变化。对于交汇口断面,对称汊道在断面中心处掺混剧烈,随着上下层流速比的增大,紊动能量值减小;不对称汊道出口断面紊动强烈区域向较窄的左支汊一侧移动,与岛屿尾尖位置密切相关。     

破碎波作用下砂质海床孔隙水压力响应试验

通过波浪水槽试验,研究规则波在1：30斜坡砂质海床上破碎时海床超静孔隙水压力响应规律,观察波浪破碎处的地形变化,并分析其形成原因.试验结果表明,在波浪破碎前后超静孔隙水压力有着明显的不同变化,破碎点处距底床表面最近的超静孔隙水压力值在整个过程中达到最大,且破碎带处超静孔隙水压力竖向衰减幅度均比破碎前、后要大,破碎点的超静孔隙水压力有明显增大;破碎前后超静孔隙水压变化与浪高变化呈正相关趋势,且破碎后两者的相关性没破碎前好;波浪破碎处地形变化剧烈,超静孔隙水压力在沙床顶部的变化较底部变化明显.砂层掏刷时,超静孔隙水压振幅变大;砂层堆积时,超静孔隙水压振幅变小.     

小攻角时风力机翼型边界层特性的数值模拟

通过求解三维不可压雷诺时均N-S方程,当雷诺数为3×106,攻角为0°时,研究了NACA0012翼型绕流的边界层厚度分布和边界层内流体切向速度的变化规律.研究发现,沿着翼型弦线方向,从前缘到后缘,边界层的名义厚度、位移厚度、动量损失厚度以及能量损失厚度均呈增大趋势,且数值均很小,四种厚度的最大值分别占翼型弦长的1.25%、0.36%、0.17%和0.29%;在边界层内流体黏性的影响明显,流体切向速度与其势流解的比值沿着翼型吸力面外法线方向先迅速增大,之后增长率逐渐减小,当法向高度大于边界层名义厚度后基本保持不变,呈现出典型的边界层速度剪切特性.     

沥青混凝土心墙坝三维有限元静动力分析

针对沥青混凝土心墙均质坝,运用非线性三维有限元法进行静动力分析.对大坝填筑与蓄水阶段分别进行模拟,并计算了沥青混凝土心墙坝动力响应,分析了坝高、动剪切模量、地震峰值加速度及地震波对心墙最大动剪应变的影响,总结了心墙应力与变形、动剪应变分布规律.结果表明:静力状态下,尤其是满蓄期,应重点关注心墙坝肩处、顶部和底部区域,且高心墙处于更不利的应力与变形状态.地震作用下,动剪应变最大值发生在河谷中央心墙顶部区域,但动剪应变幅值较小,一般不超过0.5%.     

滨海斜坡复式护岸断面波浪爬坡试验研究

通过物理模型试验,研究了不规则波作用下滨海斜坡复式护岸断面波浪最大爬坡距离和爬坡流厚度,探讨了最大爬坡距离和爬坡流厚度的影响因素及其影响规律,发现两者都随着护岸前沿平均越浪量的增大而增大,同时随着距护岸前沿距离的增大,爬坡流厚度减小.在此基础上建立了爬坡距离和爬坡流厚度与各影响因素的关系,并参考相关研究成果讨论了比尺效应对试验结果的影响,当坡度小于1∶8时,比尺效应的影响在5%以内.研究结果可为工程设计和相应的数值计算提供参考.