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。     

渗流切向水流耦合作用下多孔介质水动力试验

研制专门的渗流-切向水流耦合作用实验装置,对均匀球体构成的多孔介质进行了法向渗流作用下表层孔隙水动力试验,探讨了水深和渗流强度对多孔介质孔隙内水动力的影响,试验结果表明,孔隙中动水压力与紊动强度远小于顶层球体以上的主流区;渗流强度与孔隙内水体渗出速率呈正相关关系;孔隙内紊动强度、动水压力随孔隙所在深度的增大而逐渐降低,且降低幅度逐层减小;渗流条件对相同位置孔隙的侧向动水压力的影响不显著.     

水流中植物的挠曲变形及耗散能

基于植物上的水动力分析,推导了其在紊动水流作用下的挠曲率形及其能量耗散计算关系,探讨了紊动水流和植物丛之间的能量转化规律,为进一步研究其水流基本方程奠定了基础．     

弯道水流紊动强度

采用先进的三维声学多普勒流速仪对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究，较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度等．根据试验数据，探讨了弯道水流的紊动机理，分析了弯道水流的紊动特性，得出了弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式；同时还对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较．     

顺直微弯型分汊河道水流的紊动特性试验研究

对顺直微弯型分汊河道的水流紊动特性进行了试验研究,构建了分汊河道的物理模型试验系统,探究了在不同汊道宽度比和上游来流量条件下,水流在分汊河道沿程不同断面的紊动能分布特征.试验结果表明:在平面上,水流紊动最为剧烈的区域发生在支汊进口段凹岸的回流区与凸岸的高流速区之间的过渡地带,表、中、底3层的高紊动区的强度和范围以中层为...     

考虑水流紊动的丁坝下游回流区水流挟沙力研究

研究复杂流态下丁坝回流区水流挟沙力的变化规律,对于优化丁坝设置具有重要的意义.基于丁坝水流紊动实验所得主流区、回流正流区和回流负流区的水流紊动强度,利用水流切应力和流速的关系,建立了考虑水流紊动强度的丁坝回流区水流挟沙力公式.利用此公式解释丁坝后的淤积现象、三峡永久船闸上引航道口门区淤积以及桥墩后部漩涡冲刷现象,并给出不同紊动强度下主流区、正流区和负流区不淤流速.公式可用于回流河段泥沙数值模型中.     

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.     

用k_ε紊流模型及有限元法解二维异重流方程

本文用水沙混合水流的运动方程和质量守恒方程作为二维泥沙异重流的控制方程,用k-ε紊流模型闭合雷诺应力,用有限元法解上述方程组,计算了泥沙异重流的流速、含沙量、紊动动能和紊动粘滞系数的分布,并与试验的流速和含沙量资料进行了对比,最后分析了含沙量与紊动动能、流速的关系,阐述了在含沙水流中紊动动能有可能转化为水流的势能.     

柔性淹没植被的排列方式对水流特性的影响

采用塑料草模拟河道中的柔性淹没植被,通过室内高精度水槽试验,用三维声学多普勒流速仪对同种淹没度、不同排列方式下柔性淹没植被的水流特性进行测量研究,得到柔性淹没植被时均纵向流速、垂向紊动强度、雷诺应力沿相对水深的分布特征.结果表明:在植被层外部,两种排列方式下时均纵向流速符合"J"形分布,垂向紊动强度、雷诺应力呈递增趋势,近似线性分布;在植被层内部,梅花形排列方式下阻水效应及雷诺应力较之矩形排列明显,矩形排列方式下垂向紊动强度较之梅花形排列剧烈.     

四棱台透水框架水动力特性试验研究

基于鱼礁概念,提出一种新型四棱台透水框架结构,并开展系列水槽试验,利用剖面流速仪ADCP(acoustic doppler current profilers)测量四棱台透水框架防护区周围流场结构,分析架空率对透水框架周围水流结构的影响,研究四棱台透水框架对防护区周围的水动力特性影响。试验结果表明:四棱台透水框架防护后水流上下速度分布差异更为明显,框架层流速显著减小,且流速减小幅度随架空率的减小而增大;紊动强度分布出现拐点,拐点位置与架空率具有明显的相关性,紊动强度随架空率的减小而增大;防护区内部近底处存在紊动收敛区域,其紊动强度随架空率减小而减小。     

水库湖流多负荷数值模拟

系统地研究湖泊、水库中各类水动力外负荷作用,考虑了波,流共同作用下的底摩阻、波浪剩余动量流、风作用剪应力、风吹流及悬移质扩 分布等,创建了多负荷水动力泥沙数值模拟系统。该系统在引滦入津输水工程中的于桥水库,尔王庄水库湖流流场计预报中应用,模拟结果与实测数据十分吻合,以于桥水库湖流流场计算为例,提出包括于桥水库特征的逐月,特征水文日,无风及不同风向风速,不同出、入库流量、工程输水与否、悬沙输移扩散等内容的多种方案的流场和泥沙扩散分布,为水库水质污染防治提供了量化依据。     

水动力作用对污染物在河流水沙两相中分配的影响研究进展

通过总结近年来有关水动力作用对河流中泥沙吸附/释放重金属、磷等污染物影响研究成果,分析了水流紊动强度和流速对污染物在河流水沙两相中分配的影响规律。当水流紊动强度较低时,泥沙主要以床沙形式存在,泥沙对污染物的吸附/释放速率和强度较低;随着紊动强度增大,水沙界面切应力随之增大并促使泥沙悬浮,污染物与悬浮泥沙颗粒接触面积增大,使得泥沙对污染物的吸附/释放速率和强度显著增加。流速对污染物在水沙两相间分配的影响较为复杂。泥沙静止时,流速的增大会减小边界层厚度,增大水体溶解氧含量、氧化还原电位等参数,并使污染物在水体里的扩散由分子扩散转变为以紊动扩散为主,增强污染物在水-沙界面的交换通量,对污染物在水沙两相间的分配产生影响;随着流速进一步增大,床沙逐渐起动、悬浮,此时除上述因素外,泥沙运动状态、悬浮颗粒间碰撞强度、悬浮物的絮凝等均会对泥沙吸附/释放污染物产生影响,由于影响因素较多,作用机制复杂,目前关于泥沙运动对污染物在水沙两相间分配的影响所得结论仍存在分歧。相应的机理研究及数学模型的建立均做了较大简化。综观当前的研究成果,水沙运动及其化学生物过程等对污染物在河流水沙两相中的分配作用机理和耗氧有机物、有毒有机物等污染物与泥沙的作用机理是这一领域的未来研究重点。     

海洋剪切流传感器结构设计与试验

剪切流传感器是海洋微结构湍流测量的重要工具,传感器的结构、装配工艺以及信号处理对其性能有较大影响本文中使用Fluent软件对传感器壳体结构进行水动力学分析,采用ANSYS软件对传感器内部结构的变形和压电效应进行计算,恨据计算结果优化传感器结构为提高传感器各部件的装配精度,设计专用夹具对其进行装配,同轴度达到0．01mm为处理传感器信号和标定传感器灵敏度,基于微处理芯片MSC1210与LPC2114开发出低功耗、高精度数据采集系统,并研制了标定装置试验表明,本文中研制的剪切流传感器及数据采集系统能够满足海洋微结构湍流测量要求     

水流剪切力对活性污泥特性影响的试验研究

利用SBR反应器模型研究了水流剪切力对活性污泥沉降特性和活性的影响;通过不同水流剪切力下活性污泥絮凝体形态及微生物类型的比较,分析了水流剪切力对活性污泥特性的影响机理.结果表明:SBR系统中的活性污泥对水流剪切力的变化较敏感;剪切力会影响活性污泥的微生物生态系统,改变絮凝体的结构;利用水流剪切力来改变SBR反应器中活性污泥的沉降特性和活性是可行的.     

加速度不对称波浪作用下的底部边界层动力特性

为了研究加速度不对称波浪对底部边界层的影响,建立加速度不对称波浪作用下的底部边界层数学模型,复演物理模型试验中的流速剖面、紊动强度和床面剪切应力,在此基础上探讨加速度不对称波浪边界层的动力特性。结果表明,波峰半周期内正向加速阶段的加速度比较大,引起较快的边界层发育、较大的流速梯度和较大的紊动能量,产生了正向的周期平均床面剪切应力;这些现象随加速度不对称系数的增大而更加明显;在振荡水槽中,加速度不对称波浪边界层内存在底部反向和顶部正向的时均流动,加速度不对称系数的增大会增强底部反向流速;在开敞水域中,时均流速在整个边界层内都是正向的,底部出现"流速外突"的现象,顶部流速趋于均匀分布,加速度不对称系数的增大会减弱底部正向流速。     

高低刃脚异形钢围堰水力作用数值研究

建造桥梁深水桥墩多采用围堰施工,作用于围堰的水荷载是控制围堰结构设计及其下沉施工安全性和稳定性的关键因素,当前设计规范对围堰水力作用的考虑十分粗略。为探明某桥墩高低刃脚异形钢围堰施工过程中的水荷载特征,采用计算流体动力学方法分析围堰绕流流场,基于河道横断面地形资料足尺构建三维流体域,运用重叠网格技术高效建模模拟钢围堰下沉过程。研究结果表明,围堰两侧存在局部流动加速且呈不对称分布,围堰深水侧水流速度相对更大,围堰下方下游侧流速随河流深度增加呈降低趋势;围堰外表面压强除迎流侧为正压外,其余大部分均为负压,各区域负压随着下沉深度增加而逐步增大;下沉初期绕流场受围堰及护筒双重影响,随着围堰逐渐下沉至河床底,护筒影响逐步消失;流场各区域湍流强度随着下沉深度的增加整体呈现出先增大后减小的变化规律,最终最大湍流强度区域稳定于堰尾。围堰阻力系数及侧向力系数几乎不受来流流速影响,进一步验证了其无量纲性;阻力及侧向力随来流流速增大而增大;阻力随入水深度增大而增大,侧向力也整体表现出类似规律,但在入水深度8 m处受围堰异形区段三维流动效应影响,出现侧向力局部极小值的反常现象。     

车身非光滑表面边界层流场特性分析

为了研究非光滑车身表面边界层流场特性,采用大涡模拟与Realizable k-ε湍流模型对车身外部瞬态和稳态流场进行数值模拟计算,对比分析了非光滑模型与光滑模型边界层内速度、粘性底层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度和湍流耗散率等流场参数,解析了非光滑表面对车身流场流动特性的影响.研究结果表明,非光滑模型边界层内速度明显高于光滑模型,边界层厚度、壁面剪切力、表面摩擦阻力因数、湍流强度、湍流耗散率都比光滑模型有所减小.非光滑表面的引入加剧了车身尾迹气流的参混效应,防止外界的高速流对内部低速流的引射作用,从而减少了车身流场能量的损失.     

A fluid dynamics route for producing graphene and its analogues

A novel fluid dynamics route for scalable and efficient production of graphene and its analogues is demonstrated. Atomic force microscopy and transmission electron microscopy analyses strongly suggest that the bulk layered materials （graphite, BN, MoS2, and WS2） are efficiently exfoliated into individual layers containing mono-and few-layer nanosheets. Computational fluid dynamics analysis indicates that multiple fluid dynamics events are responsible for efficient exfoliation. Cavitation and pressure release can generate normal force for exfoli- ation. The velocity gradient-induced viscous shear stress, the turbulence-induced Reynolds shear stress, and shear effects stemmed from turbulence and flow channel-induced collisions can generate lateral force for exfoliation, resulting in theses bulk layered materials self-exfoliation down to single or few layers through their intrinsically lateral self-lubricating ability.     

螺旋桨CFD不确定度及叶形对桨叶变形的影响

为了研究螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均Navier-Stokes方程并选用SSTk-ω湍流模型对438X系列螺旋桨的敞水性能进行数值模拟;针对4381螺旋桨设计了3套网格,并进行了螺旋桨敞水性能的不确定度分析;将CFD软件计算与有限元法求解相耦合,计算所得水动力载荷通过插值技术传递给螺旋桨,以分析桨叶应力分布及其叶梢处的变形情况.结果表明,在水动力载荷作用下,复合材料螺旋桨桨叶将产生明显变形,且不同螺旋桨所产生的侧斜和纵倾等均不同,在复合材料螺旋桨的设计和流-固耦合计算中必须加以考虑.     

紊流边界层混凝作用探讨

通过对粘性流体紊流边界层的结构分析,得到混凝反应中关键性的控制因素,速度梯度和紊流切应力.讨论了这两个主要因素的变化规律,据此设计了更加理想的反应器结构,希望在混凝过程中能够对微粒的碰撞与聚合成长起到更好的作用.从根源上解释了紊流流场中速度梯度和旋涡的产生,试图把最近发展的涡旋混凝理论与传统的混凝理论进行统一.