挟沙水流悬移质运动效率系数的研究

悬移质运动效率系数是泥沙悬浮运动消耗能量(悬浮功)与挟沙水流紊动能量之比值,它是反映悬移质运动能量功效最重要的特征参数.本文基于两相挟沙水流紊动能量平衡方程,在二维、恒定、均匀及充分紊动的流态条件下,经过必要的推导和简化,得出悬移质运动效率系数理论表达式;通过应用黄河下游实测资料,对效率系数公式进行验证计算,结果表明效率系数公式计算值与实测值相符较好;进一步应用黄河下游实测资料,建立了效率系数与水流挟沙能力之间的关系,说明随着含沙浓度的增加,水流挟沙能力相应加大,效率系数呈下降趋势,并趋于一个稳定的低值范围,含沙浓度进一步增加不会给水流增添额外的能量负担,为黄河挟沙水流高效输送提供了科学依据;同时效率系数公式的导出为建立挟沙水流挟沙能力公式、揭示输沙机理奠定了基础.     

基于含沙紊动水流掺混长度的含沙量垂线分布

根据Prandtl掺混长度理论对紊流动量传递的假设,推广得到挟沙水流中泥沙扩散对应的含沙紊动水流掺混长度。类比Prandtl动量传递系数与紊流掺混长度的关系,由含沙紊动水流掺混长度推导出与实测数据吻合较好的泥沙扩散系数,得到新的含沙量垂线分布公式,并利用多个海域实测资料对其进行验证。验证结果表明,新的含沙量垂线分布公式能够较客观地反映含沙量垂线分布规律。     

河口时变水流挟沙能力公式

为反映河口输沙随潮作非恒定变化的特性,提出了时变挟沙能力的公式。当潮流在加速(减速)过程中由挟沙过剩(不足)的非平衡态向挟沙不足(过剩)的非平衡态转化时存在临界平衡点,此时含沙质量浓度达到极大(小)值。据此机理从若干河口实测非恒定水沙过程提取平衡点数据,结合量纲分析建立河口时变挟沙能力的通用公式。该式与悬移质微分方程的时变体积分数协调一致,避免了半潮平均挟沙能力公式与不平衡输沙之间的矛盾。     

明渠水流挟沙能力的进一步研究

本文根据修正维利堪诺夫重力理论,利用拜格诺建立悬移质输沙率公式的基本概念,导出了明渠水流挟沙能力公式,并用野外和室内实测资料确定了公式中悬浮效率系数K的值。通过用黄河土城子河段的实测资料验证,结果表明计算值与实测值有较好的一致性。     

黄河下游河道输沙用水量研究

从上游来水来沙状态、下游河道输沙目标、下游河道水流输沙能力和水利枢纽调控调度4个层次分析了黄河下游河道输沙用水效率。根据1950－1997年期间的实测资料，分别讨论了黄河下游不同河段在自然、受控、复杂和异常状态下的输沙用水量。在各种状态下根据河道和输沙特性的差异，分别按照均衡和平衡输沙目标计算了下游河道输沙用水量。在设定输沙目标下，以年内不同时段水流挟沙能力为依据，对比了可能提高输沙用水效率的不同调控方案，例如在汛期或7－8月输送全年泥沙的方案等，以便减少黄河下游输沙用水量并缓解黄河水资源的紧张趋势。这些方案有可能通过水利工程枢纽的调控来实现，为此中给出了不同状态下均衡、平均输沙用水量可调控的阈值。     

高含沙水流紊动输送

通过理论及资料分析研究了清水、低含沙水流和高含水流的紊动粘性系数变化规律。结果表明，考虑紊流相干结构的清水水流紊动粘性系数随尾迹强度的增加或减小而相应增减。低含沙水流紊动粘性系数随含沙量增加而减小，即挟沙后水流紊动强度减弱。高含沙水流紊动粘滞系数更是如此，且垂向最大值偏离中间水深向下移。紊动粘性系数与含沙量、冲刷、淤积状态有关，宾汉极限剪切力对紊动粘性系数有较大影响。     

黄河小浪底坝区蓄水过程泥沙数学模型的研究

考虑高含沙水流特殊的运动规律,选用适当的公式和参数,得到多沙河流平面二维水沙运动方程,用SIMPLER程式求解。求解过程中为提高数学模型的精度,根据高含沙水流特性,采用了将沙场与流场进行耦合计算的方法;对沙场收敛条件提出应满足含沙量场与挟沙力场均稳定的观点,并给出了具体的判断式;对恢复饱和系数的取值进行了有意义的讨论。利用数学模型对黄河小浪底坝区物理模型的蓄水过程进行了模拟,通过计算结果与实测物模地形变化的对比,验证了建立的数学模型的正确性。     

水流强度指标与推移质输沙率

在对以往各种水流强度指标进行综合、归纳的基础上,提出了水流强度指标的一般形式,由此推导出通过推移质输沙率公式,并利用７００多组实测水槽资料地公式中的系数进行了率定,与其他几个推移质输沙率公式比较表明,推导出的新新公式具有相当高的精度。     

动床沙粒阻力与底沙输移

本文在输沙实验的基础上,从研究水流结构着手,分析了水流和泥沙之间的相互作用关系,讨论了动床沙粒阻力和底沙输移规律.结果表明,动床沙粒阻力与输沙有关.本文还导得动平床情况下的流速分布公式、阻力公式和输沙率公式,使动床的水流运动和输沙过程得以联解.通过295组水槽实测资料详尽的验证,证明本文结果与实测资料是一致的.     

高含沙水流流动稳定性特征的研究

流动稳定性涉及较为宽广的研究领域和很多工程实际问题．层流转捩为紊流,是由于层流流动失稳所致,判断失稳与否,则采用稳定中性线和临界Reynolds数的标准加以判断,其对应的流动介质为清水,亦即单相的Newton流体,而对于江河中广泛存在的高含沙水流,在传统的流动稳定性理论中则没有讨论,该文就是补充这方面的不足．研究发现,对于高含沙水流等非Newton流体,层流转捩为紊流以及紊流溃灭再次转为层流,其不仅主要取决于惯性力与黏性力的比值—临界Reynolds数,而且还取决于这种非Newton流体中含沙量的大小、含沙量的分布形式、含沙颗粒粒径的大小以及含沙颗粒的重度等多种因素．研究结果为解释河流中的“浆河”现象、挟沙水流湍流强度及湍流结构的变化趋势提供了一些重要的学科依据．     

山区河流平面二维水沙数学模型研究

根据泥沙交换原理，建立了河道非均匀沙悬移质水流挟沙力及推移质输沙率的计算模式，将非均匀沙推移质与床沙的交换形式概化为单向淤积、单向冲刷及淤粗冲细3种基本形式，并建立了每种交换形式下的非均匀沙推移质有效输沙率的计算公式．针对天然河道边界复杂及天然河道长宽尺寸一般相差悬殊的特点，本文采用正交贴体网格．在此基础上建立了正交曲线贴体坐标系下的平面二维全沙数学模型．采用有限体积法对拟合坐标系下的水沙基本控制方程进行了离散，在求解过程中采用了欠松弛技术和逐线迭代法．在北盘江坝油滩河道中对水位、水流流速以及河床冲淤等进行了验证计算及分析．数值实验表明，该模型能正确地模拟山区河流复杂的水流以及河床的冲刷、淤积过程。     

推移质对水流阻力影响的定量研究

从挟带推移质的水流能量平衡方程出发，引入Meyer-Peter和Muller推移质输沙率公式，推导了挟带推移质的动平整床面阻力系数公式，实测资料对公式验证的结果表明，该公式具有一定的精度，可用于实际问题的计算。     

挟沙水流的流速分布公式

在前人研究成果的基础上,得出卡门常数取与垂线位置和含沙量相关的变量时,掺混长度Prandtl假定与试验及实测资料较为相符。进一步对比对数律与指数律的流速梯度,得出卡门常数新的表达式。将卡门常数新的表达式代入Prandtl假定,根据Prandtl掺混长度理论得到新的流速分布公式。该公式较现有指数律和对数律解决了表面流速梯度不为零的问题。经室内水槽试验结果及河道实测资料验证,该公式可以真实地描述挟沙水流的流速分布变化规律,且在高含沙水流中仍有较好的精度。     

山区河流河床结构对推移质输沙率的影响

河床结构是山区河流河床在洪水过程中达到较强阻力及较高河床稳定性时床面大颗粒的组合,对山区河流的推移质输沙起重要影响．引入河床结构强度S对山区河流河床结构进行定量化研究,使用河床结构测量设备对河床强度进行测量,采用类似于坑测法的子母双槽进行推移质输沙率实测,对云南小江流域的15条主要支流河床结构及推移质输沙进行野外实测,发现推移质输沙强度至少受单宽水流能量与河床结构发育程度共同影响,在同等级水流能量条件下,河床结构的发育程度越高的河流（或河段）其推移质输沙强度越小,河床强度值越小的河流（或河段）推移质输沙强度越大．单宽水流能量小于50kg／（m·S）、河床结构强度大于0.35时,推移质输沙率接近零．     

平衡输沙条件下非均匀推移质运动特性

考虑床沙特性以及颗粒暴露度对非均匀沙运动的影响,根据滚动平衡关系,提出了非均匀沙起动流速公式,利用实测资料分析了附加阻力系数的特点,并得到其数学表达式.通过对非均匀泥沙颗粒运动方程的分析,导出了非均匀沙临界起动希尔兹参数的数学表达式,从而从理论上解释了非均匀沙颗粒与均匀沙起动的不同之处(粗颗粒较同等粒径均匀沙容易起动,细颗粒则与之相反).分析了非均匀沙颗粒随水流运动的特点,指出非均匀沙颗粒运动与其所处的床面条件具有直接的关系,床面条件不同,运动也将呈现不同的特点.最后建立了平衡输沙条件下非均匀推移质分组输沙率公式,公式的计算值与实测资料吻合较好,并且能够用来计算均匀沙推移质输沙率,具有广泛的通用性.     

基于多元线性回归方法的水流挟沙力公式建立与验证

利用多元线性回归的方法,通过2549组水槽泥沙实验数据,建立包含水力与泥沙影响因子在一定组合形式下的水流挟沙力公式,并采用2850组天然河道的实测资料对建立的水流挟沙力公式进行分析验证,证实流速是挟沙力的重要影响因素,泥沙因子也不能忽视.然后比较分析水力坡度在挟沙力研究中的优劣,进一步分析水流挟沙力公式的简化形式,指出...     

挟极细沙水流的明渠综合糙率系数变化规律研究

小浪底调水调沙过程中,黄河中下游发生的洪峰异常增值现象是由河道糙率减小所致.通过挟极细沙水流的明渠水槽实验,证明极细沙在粗糙床面具有明显的减阻作用,并对减阻机理进行了分析.该研究对于含沙水流的运动规律以及洪水的预报与防洪具有重要的参考价值.     

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.     

基于颗粒跃移运动的推移质输沙率研究

采用高速摄像技术,对跃移颗粒撞击床面颗粒的过程进行了观测.通过求解跃移颗粒与床面颗粒的撞击模型,确定了速度恢复系数.纵向速度恢复系数主要由撞击面角度决定;垂向速度恢复系数主要由入射角度决定.通过求解跃移运动方程,建立了考虑颗粒碰撞影响的平均跃移高度、跃移速度计算式.基于平均颗粒浓度与有效水流强度之间的关系,推导出均匀推移质输沙率公式.经与水槽试验数据、天然河流实测数据的比较,本文公式具有良好的适用性和准确性,可以用于输沙率的预测.     

卵砾石河流推移质输沙率的模拟计算方法

根据山区和丘陵地区卵砾石河流的情况,提出对梅叶－彼得推移质输沙公式进行修正,使用式（８）的泥沙起动切应力公式,在分析的基础上提出粗细泥沙颗粒的隐曝系数公式和考虑水流床面切应力随机分布的计算方法,用以估计这类河流的推移质输沙率．经长江上水文站的实测资料检验与河道泥沙数模的应用,能满足工程计算的需要,取得较好效果,可作为这类河流中计算推移质输沙率的参考．