均匀球体泥沙典型分布状态及其起动流速研究

为了研究床面泥沙三维随机分布状态及其起动条件,将泥沙颗粒概化为三维球体,采用粒径为12mm的均匀玻璃球,在边长为150mm的立方体容器中进行了床面泥沙随机堆放试验.试验发现,床面泥沙存在3种典型分布状态,统计分析了3种状态各占的比例,建立了对应的泥沙起动力学平衡方程,推导出了3种模式泥沙瞬时起动流速公式.假定3种模式的暴露角均符合正态分布,将3种分布模式对应的起动流速影响函数加权平均,得到基于3种分布状态的泥沙综合起动流速公式.经实测资料验证,本文起动流速公式与不同泥沙粒径起动流速实测数据符合良好.     

明渠减速流下床面摩阻流速研究

针对明渠非均匀流,采用立面二维数值试验的方法,并将雷诺应力垂线分布计算结果延伸至床面,以此计算减速流情况下床面摩阻流速,得到了不同壅水下床面摩阻流速的计算结果.研究表明:在壅水情况下,当流量和底坡相同时,壅水段摩阻流速随水深的增加而逐渐减小;在相同水深和底坡下,摩阻流速随流量的增加而增大;在相同流量和水深下,摩阻流速随底坡的增大而增大.为满足工程中计算的需要,根据数值试验结果拟合得到了明渠水流壅水情况下床面摩阻流速的实用计算式.     

涵洞输沙特性研究

地下涵洞穿越河渠淹没于水下，水沙运动呈有压流状态，合理利用洞内水流自身能量，才能确保输送泥沙过洞。依据床面泥沙起动切应力相等原理及明渠水流挟沙力公式，提出了适应地下涵洞泥沙起动流速关系及输沙能力的修正公式。该公式较好地反映了地下涵洞的泥沙运动及输沙规律，为解决地下涵洞安全输沙及防止泥沙淤积提供了理论依据。     

曲线坐标系下考虑植被影响的k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型

该文建立了曲线坐标系下考虑植被影响的三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型,模拟弯曲渠道内布置水生植被后水流和泥沙的运动结构以及弯道内的河床变形.通过模拟试验室60°弯道内流经植被的水流流速平面结构和断面分布,验证了模型中液相模块的准确性.通过模拟60°弯道内不同植被布置情况对水流泥沙运动和床面变形的影响,验证了模型中床面变形模块的准确性.数值结果较好地再现了试验规律.计算结果表明在弯道内布置植被改变了水流流速分布,植被覆盖区域的水流流速明显降低,泥沙运动减弱;非植被覆盖区域的水流流速增大,泥沙运动加剧;合理布置植被可以减缓弯道凹岸的泥沙侵蚀;数值计算结果和试验结果之间的比较表明三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型处理推移质运动的方法比三维单流体模型更加合理.     

曲线坐标系下考虑植被影响的k-ε-A_p固液两相双流体湍流模型

该文建立了曲线坐标系下考虑植被影响的三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型,模拟弯曲渠道内布置水生植被后水流和泥沙的运动结构以及弯道内的河床变形.通过模拟试验室60°弯道内流经植被的水流流速平面结构和断面分布,验证了模型中液相模块的准确性.通过模拟60°弯道内不同植被布置情况对水流泥沙运动和床面变形的影响,验证了模型中床面变形模块的准确性.数值结果较好地再现了试验规律.计算结果表明在弯道内布置植被改变了水流流速分布,植被覆盖区域的水流流速明显降低,泥沙运动减弱;非植被覆盖区域的水流流速增大,泥沙运动加剧;合理布置植被可以减缓弯道凹岸的泥沙侵蚀;数值计算结果和试验结果之间的比较表明三维k-ε-Ap固液两相双流体湍流模型处理推移质运动的方法比三维单流体模型更加合理.     

基于FLUENT的明渠平板闸门淹没出流流场研究

为了研究明渠淹没出流下平板闸门测量流量,采用进口断面上自编UDF程序的水位边界条件方法,结合标准的k-湍流模型和VOF方法,利用Fluent软件建立了水流流体域和明渠平板闸门的三维模型,对不同开度下明渠平板闸门淹没出流进行数值模拟,获得了过闸流量和水面线、流速分布,闸门处动水压力以及闸后梯形断面的流速分布等规律,结合现场试验验证,结果表明：平板闸门测量流量能够达到灌区矩形量水堰的测量流量精度;采用数值模拟所得流量与平板闸门测量流量的相对误差在3%以内,说明数值模拟能够用于明渠淹没出流下平板闸门的流场研究,为明渠平板闸门测量流量提供理论依据。     

非对称复式断面明渠水流特性试验与数值模拟

采用三维超声测速仪对非对称复式断面明渠水流流场特性进行试验研究,采用L-Y雷诺应力模型对水面和固壁边界条件进行有效地处理,结合混合有限分析法数值模拟了复式断面明渠二次流流动,和实验资料的对比验证了数值计算和边界处理技术的合理可靠性.进一步分析复式断面明渠二次流运动的流动结构和特性,得到复式断面明渠流动中的二次流分布速度矢量分布、主流流速等值线及典型断面沿水深的主流流速分布,发现自由水面上的主流速度存在速度下降现象,二次流产生最明显的位置在明渠主槽与浅滩的接合部.     

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.     

滨海电厂排水明渠消能防冲试验研究

本文主要针对沙特拉比格电厂排水明渠泥沙冲刷物问题进行了理模型试验研究.试验结果表明,电厂排水时,明渠水流进入深海后得到充分消能,码头前沿附近水流流态平稳;电厂排水明渠及码头附近滩地流速较小,低于滩地原型泥沙的起动流速,沿岸滩地不会产生冲刷破坏.     

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.     

明渠流中分形絮团破裂的格子Boltzmann方法模拟

应用格子Boltzmann方法模拟了黏性泥沙三维分形絮团在明渠水流中的沉降、破裂过程,揭示了絮团在水流剪切作用下的破裂机理．结果表明,水流流速较小时,絮团将不发生破裂而沉积到海床;在水流流速较大的情况下,强度较小的絮团将在水流剪切作用下发生破裂,破裂后的单个泥沙颗粒或小絮团随水流一起运动,不会沉降到床面,而强度较大的絮团在经受近底剪切变形后仍可沉降到床面．絮团沉降破裂过程的格子Boltzmann模拟结果与已有的直观认识一致．     

分汊河道近底水流特性试验研究

近底水流结构是影响泥沙起动、床面变形以及航道整治建筑物稳定性的直接因素.以长江中游武汉天兴洲段这一典型分汊河道为原型,开展物理概化模型试验,通过对比纵横向测点的流速差异,分析分汊河道近底流速分布特性以及近底水流脉动变化规律.结果表明:河床地形对近底水流时均流速有一定的影响,分流区内时均流速沿横向分布较为均匀,而汊道段时均流速沿横向和纵向上分布均有波动,总体上河床高的地方流速大,且与测点处的水深呈负相关;脉动强度与该点处时均流速之比称为相对脉动强度.江心洲逆坡段的滩槽交界区域水流结构复杂,相对脉动强度大,在平直的滩顶段则是滩面处的相对脉动强度最大.     

明渠断面流速分布的试验、天然量测及信息熵理论分析

明渠断面流速分布的试验、天然量测及信息熵理论分析王木兰，张芹芬，李惠敏，泄水工程与高速水流，１９９３年第１期许多水力学基本问题以及挟抄水流，环境污染等工程问题都与明渠断面流速分布有关，前人对侧壁影响较小的宽浅明渠水流研究较多，得出许多有用成果，而对侧...     

多因素影响的梯形明渠三维流动规律

为了研究梯形明渠三维流动规律,使用流体动力学软件Fluent的Realizable k-ε模型对梯形明渠进行了模拟.首先,数值模拟了边坡坡度比为1、流速为1m/s条件下的三维流动.数值结果表明:对称面上流速的沿程变化不显著,底区流速满足对数律分布,外区流速用乘幂公式拟合有一定的误差.其次,分析了同一高度横向各点的速度值、静压、总压的沿程变化,壁面上不同高度切应力、总压的沿程变化和出入口的总压差.最后,考察了8种不同坡度、8种不同流速情况下边壁、床面的切应力、总压的变化趋势,得到了切应力和总压随流速的计算公式,揭示了梯形明渠的流动规律.     

泥沙颗粒起动时明渠阻力方程

在对泥沙起动的Ｓｈｉｅｌｄｓ曲线与明渠阻力特性之间的关系进行分析后,指出了无因次起动切应力与相对等效粗糙突起高度之间存在比例关系。利用１８２组实测资料求得了用阻力系数表示的泥沙起动阻力方程,该方程与泥沙粒径无关,可用于稳定渠道的设计中。     

鄱阳湖黏性底质淤泥固结起动规律试验

为研究鄱阳湖黏性底质淤泥固结起动规律，采用玻璃水槽测量了不同淤积历时及水深条件下黏性底质淤泥起动流速，根据试验数据拟合得到鄱阳湖底质淤泥起动与淤积历时和水深的经验公式，并将结果与相关文献泥沙起动经验公式计算结果进行对比。结果表明，鄱阳湖黏性底质淤泥固结程度随着淤积历时的增加经历了新落淤、固结初期、加速固结、固结稳定4个阶段，起动流速与水深呈正相关关系；淤积1 d起动流速与相关文献泥沙起动经验公式计算结果较接近，淤积历时越长，试验结果与经验公式计算结果相差越大。     

明渠水流速度对自掺气发展影响的试验研究

采用针式掺气浓度仪对有压出口后明渠水流表面自掺气的发展过程进行了详细测量,研究了不同出口流速条件下掺气发展区的掺气浓度分布及其沿程发展变化情况,分析了流速对自掺气发展的影响。试验结果表明：随着出口流速的增大,相同断面处水流平均掺气浓度不断增加,掺气区向渠道底板扩展更加充分;在断面平均掺气浓度相同的条件下,水流速度越大,水体紊动程度越高,气泡向渠道底板方向扩散越明显。结合紊动扩散理论分析,认为流速对明渠自掺气扩散的影响包括提高水流掺气浓度和增大水体紊动扩散系数两个方面。     

基于水流功率理论的动床阻力计算方法

冲积河流阻力是泥沙运动力学中的一个重要问题．利用1844组实测资料，基于水流功率的概念建立了总水流功率与有效水流功率的经验关系．在泥沙起动前后总水流功率与有效水流功率基本一致；在低能态区，由于有沙垄、沙纹出现，总水流功率明显大于有效水流功率；在高能态区，从动平整床面到沙浪的出现，总水流功率又逐渐背离有效水流功率．用近10000组水槽和天然河道资料验证表明，该经验关系式精度较高．     

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.     

水体泥沙污染物起动再悬浮释放的物理过程和影响因素

水流流动、泥沙运动与污染物迁移转化之间存在较强的相互作用,形成了一个彼此紧密联系的综合环境系统.复杂水动力条件使得沉积底泥和悬浮泥沙对水环境的影响体现为一种动态耦合的综合效应.采用室内水槽实验研究了污染物通过底泥的静态扩散释放、泥沙起动再悬浮释放以及随悬浮泥沙的紊动释放3种主要方式进入水体的物理过程.结果表明,底泥沉积物可以依据颗粒特征分为泥质和沙质两种不同的底质;颗粒粒径、孔隙率和初始污染物浓度是决定底泥-水界面污染物静态释放特性的主要因素,并由此建立了沉积物中污染物总量的衰减公式,其衰减时间与污染层厚度、密度以及污染物分配系数正相关.泥沙污染物起动再悬浮释放过程大致上可以分为起动初期,悬浮沉降交替期和悬浮沉降平衡期3个阶段,在后两个阶段水体中污染物固液分配比值先增加后减小.基于质量守恒推导了底泥再悬浮污染物释放量的经验公式,和实验结果对比表明污染物的吸附解吸性质一定程度缓解了其释放的速率.水体中污染物的浓度分布和水流流速分布以及悬浮泥沙浓度分布密切相关,呈现出一致的变化规律.泥沙污染物的分布随着流速的增加在水体垂向上差异也变大,而水体的含沙量越大,泥沙污染物的分布反而越趋向于均匀.