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。     

基于贝叶斯定理的异重流泥沙侵蚀经验式不确定性分析

异重流发生在水下环境,针对其泥沙侵蚀的准确实验数据获取较为困难,使得异重流泥沙侵蚀经验式不易得到高质量的验证和率定.本文应用基于贝叶斯定理的蒙特卡罗方法,结合现有连续入流式异重流实验数据,对异重流泥沙侵蚀经验式的经验系数(式(3)中A_3、N_1和N_2)进行概率统计研究.在不同A_3取值情况下,对N_1和N_2进行了采样和频次统计,有结论:1)当系数A_3=4～7时,均存在概率最大N_1-N_2组合(在N_1-N_2平面上,以该组N_1-N_2值为圆心,0. 3为半径的圆内,样本频次最高),使得泥沙侵蚀计算值和实测值拟合较好(相关系数达到0. 25～0. 28;原E_s93的相关系数仅为0. 19); 2)当A_3由小变大时,占总样本数25%、50%、75%、95%的N_1-N_2样本区间范围先变小、后变大;在A_3=4时,上述区间范围最小.这意味着,若实测数据增加或存在误差时,应用A_3=4和其对应的概率最大N_1-N_2值的经验式不确定性相对较小.     

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.     

障碍物对平坡异重流运动特性的影响

在水利工程中,底床地形突变对异重流的运动过程有十分重要的影响.利用高速相机和激光粒子图像测速技术(PIV),对开闸式盐水异重流在平坡定常速阶段遇到障碍物时的运动特性进行研究.实验结果表明,障碍物对异重流头部速度的作用范围约为5个闸室长,对异重流加速阶段头部速度最大值的减幅影响很小,仅为1%左右.当异重流厚度与障碍物高度相当时,异重流在环境水体中的最大作用高度值会增加近1倍,同等工况时,矩形断面下该值会比三角形断面下增大约20%.障碍物前、后和顶部3个特征断面处异重流能量和厚度达到最大值的时间不同步,厚度最大值的时刻比能量滞后1.5~2s.障碍物前、后特征断面处能量近似单峰分布,而顶部断面则为双峰分布.障碍物前断面最大厚度增大约20%,最大能量损失约40%.结果可为复杂地形水利环境下污染物的输移扩散、海底电缆保护、港池回淤等研究提供科学依据.     

基于平衡流速的水平井砾石充填α波砂床平衡高度预测与试验

基于Gruesbeck,Oroskar和Penberthy 3种固液两相管流平衡砂床上部平衡流速经验公式,考虑复杂的井底管柱结构和筛管偏置等情况,提出水平井砾石充填α波砂床平衡高度预测方法;利用自行研制的水平井砾石充填全尺寸试验模拟装置进行筛管偏置度、流量、砂体积分数对α波砂床平衡高度影响的试验.结果表明:基于Penberthy与Oroskar平衡流速经验公式的砂床平衡高度计算结果与试验值偏差较大,基于Gruesbeck经验公式的预测模型的计算结果与试验结果比较吻合,进行必要的修正后可用于水平井砾石充填α波砂床平衡高度预测;筛管偏置趋向于增大砂床高度,在实际施工过程中,应尽量避免筛管偏置下垂情况的发生;试验中砂体积分数为2%～8%,属于较低值范围,试验条件下砂床平衡高度随砂体积分数的增大而增大.     

海底天然气水合物水力提升系统参数和提升性能作用规律

运用MATLAB软件分析天然气水合物水力提升系统水力损失、矿浆泵扬程与系统中固相体积分数、系统流量、颗粒粒径、管道直径之间的理论关系;建立绞刀头工作三维流场模型,运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件对绞刀头工作区域内固液两相流场进行数值模拟,比较不同工作参数下流场出口和入口固相质量的比值达到95%时所需的绞吸流量。研究结果表明:当绞吸流量为1 000～1 300 m~3/h时,切削头绞吸效率最高,在该区间内,绞刀大环外径的分布范围为0.9～1.0 m,绞刀横移速度分布范围为0.07～0.11 m/s。     

关于“论柔性路面的垂直形变公式一文的讨论(一)

本校学报1957年度第期1翁朝庆教授提出“论柔性路面的垂直形变公式”一文。在这篇论文内,翁先生认为苏联伊万诺夫教授柔性路面设计理论中的垂直形变公式存在着两个矛盾: (1)形变模量为E_1的路面层的分布压力反尔不如同样厚度的土层(E_0)的分布压力能力; (2)由换算土层后所得的形变量要比路面层在同一深度处所得的形变量大得多。翁先生由于发觉这两种矛盾,他建议把伊万诺夫教授原来的垂直形变公式予以修改。但是,发生这两种矛盾的基本根源,是由于对传力体采用了不同的应力集中系数。在伊万诺夫的柔性路面理论中,路面双层体的应力集中系数与换算当量层后的单一体的应集中系数,都采用了1。但是翁先生则认为在双层体内应力集中系数可以采用1,而在换算当量层后的单一体内则应当采用2.5。因此,所得的结果,自然就不同了。究竟哪一种方式是对的呢?这就是我们要讨论的中心问题。     

沉降计算经验系数的Bootstrap法置信区间估计

采用Bootstrap法推断小样本条件下的沉降计算经验系数概率特征及置信区间,以解决工程中沉降计算经验系数样本量很少,难以应用常规统计方法分析其概率分布的问题。直接对样本重抽样,根据Bootstrap样本逼近参数真实分布,并纠正Bootstrap仿真过程中出现的偏差,以获得参数的无偏置信区间。通过某客运专线路基工程实例分析,得出:采用Bootstrap法可较好地推断小样本条件下沉降计算经验系数未知参数的概率分布,获得参数的置信区间;当面荷载在40～240 kPa范围内取值时,红黏土地基的沉降计算经验系数均值随载荷的增大而减少,经验系数均值服从正态分布,置信度为95%的经验系数均值的置信区间按荷载范围依次为[0.637,0.884],[0.637,0.884]及[0.901,1.165]。     

卧式陈列柜风幕热卷吸系数的关联式模型

通过无量纲变换,表明陈列柜风幕的热卷吸系数与4个无量纲量有关,即反映风幕送风影响因素的雷诺数、反映环境影响因素的理查逊数、反映风幕结构影响因素的2个无量纲数.在计算流体力学模拟计算结果的基础上,建立了卧式陈列柜风幕热卷吸系数的关联式模型,并将关联式模型计算所得热卷吸系数与其实测值进行对比.结果表明,采用关联式模型计算所得卧式陈列柜风幕的热卷吸系数的可靠性较好,计算结果与相应的实验测试结果之间的最大偏差和平均偏差分别为11.7%和-0.6%.     

磨刀门水道枯季底边界层的泥沙交换过程

河口底边界层细颗粒泥沙运动往往受边界层内多种尺度的动力过程影响而变得十分复杂。由此,基于座底支架上的ADV与OBS,于2010年枯季在珠江磨刀门水道分别进行大、中、小潮的底边界层观测,对磨刀门水道底边界层湍流动力特征与小尺度泥沙交换过程进行研究。结果表明:悬沙有效沉速、床面切应力与底床侵蚀率的变化范围随着潮差的增大而增大;底床侵蚀率与平均流速变化规律相似,当流速小于0.3 m/s时,侵蚀率基本保持在0.002 kg/m2左右,流速超过此临界值时,床面泥沙发生再悬浮。悬沙和床沙交换过程随着潮差增大而增强,且落潮时段强于涨潮时段。     

葛洲坝水利枢纽下游近坝段二维水沙数值模拟

针对长江中游葛洲坝水利枢纽下游近坝段卵石夹沙河床级配分布宽等特点,应用非均匀悬沙、底沙二维数学模型,考虑底沙的不平衡输移及冲淤过程中床沙的级配调整问题,对计算中的关键环节如卵石夹沙河床水流的有效挟沙能力、非均匀沙起动概率及非均匀沙推移质输沙率的计算提出了处理方法,利用水文、泥沙及河床变形资料对该方法进行了葛洲坝水利枢纽运行后、1998年洪水前后及三峡工程运行后水面线、流速分布及冲淤过程的验证.结果表明,该方法可以应用于三峡工程运行初期河床演变预测研究.     

天然气水合物输送管道的压力损失规律

为了研究海底天然气水合物绞吸式开采水力输送系统中管径、流速、体积分数和颗粒粒径对输送系统压力损失的影响规律,确定各参数的合理选择范围;建立输送管道三维流场模型,采用控制变量的方法,运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件对输送管道内固液两相流场进行仿真分析。研究结果表明:输送系统压力损失梯度随管径的增大而减小;当管径增大到0.4 m时,继续增大管径对压力损失梯度影响越来越小;压力损失梯度随浆体流速的增大先减小后增大,存在1个最优流速,在2.5～4.0 m/s之间,且颗粒粒径和体积分数越大,对应的最优流速就越大,压力损失梯度随体积分数的增大呈线性增大;压力损失梯度随着颗粒粒径增大而增大,但增大幅度很小。     

一种SU(2)q-形变迭加态的非经典效应

构造了SU(2)q-形变奇、偶相干态和q-形变光子数态0〉q和1〉q的相干迭加态,用数值计算的方法讨论了迭加系数、变形参数对非经典效应的影响.通过研究这种态的寻常非经典效应和q形变非经典效应,发现当q形变增大时,压缩效应均出现减小的趋势,反聚束效应和出现反聚束效应的R取值范围均增大.     

对流边界层顶部夹卷层厚度特征及其参数化分析

运用大涡模拟结果分析并讨论了对流边界层顶部夹卷层厚度特征及其参数化．常见的参数化方案是建立归一化夹卷层厚度与对流理查森数（Ri＊）之间的指数对应关系,但不同研究结果得到的幂指数有很大差异．分析表明：“Ri＊方案”本身是造成这种不确定性的原因;另一种理查森数（RiN）,即浮力理查森数,可以较好地表征夹卷层厚度．大涡模拟结果表明：“RiN方案”能够有效地减小夹卷层厚度参数化的不确定性．为消除湍流随机性对参数化的影响,我们对大涡模拟结果进行了时间平均处理,并用所得数据讨论了夹卷层厚度与浮力理查森数之间的关系．结果表明：两者之间有很好的指数对应关系,平均幂指数为-2／5;计算结果同时显示,幂指数仍然存在一定的变化范围（-1／3～-1／2）．夹卷层厚度的这种特性反映出夹卷过程的复杂性,即兼有热泡和界面振荡的特征．     

长江口徐六泾洪季泥沙沉降速度研究

2007年9月底的大潮和中潮期间,在长江口徐六泾处结合采用1台光学后散射浊度仪OBS3A和1台现场激光粒度仪LISST 100（B型）并同步现场采集含沙样本对悬浮泥沙浓度进行了定点现场观测.在对絮凝体中水的体积与絮凝体体积相等这一假设条件进行修正的基础上,利用现场观测得出的絮凝体粒径和有效密度之间的关系以及每个粒径范围的絮凝体所占整个絮凝体的权重,修正了利用单一絮凝体粒径的有效密度代表所有絮凝体的假设,最终得到了更为合理的悬浮泥沙现场沉降速度.     

水平井岩屑运移数值模拟研究

随着石油钻采工艺不断发展,水平井钻井在世界范围内全面展开,已成为现代油气勘探开发的重要手段.由于水平井的井斜角大,岩屑在运移过程中容易形成岩屑床,而岩屑床清除比较困难.针对目前存在的问题,采用计算流体力学仿真模拟技术对不同岩屑粒径下岩屑运移进行了研究.结果表明:岩屑粒径的增大,移动岩屑床速度和悬浮岩屑体积分数基本保持不变,悬浮岩屑运移速度及固定岩屑床体积分数呈下降趋势,环空下部岩屑床高度增加,堆满了下环空,单位体积内岩屑所占比重下降,导致了移动岩屑床体积分数先增大后减小.建议在某些井段使用低钻速牙轮钻进,以此控制岩屑粒径在2mm以内,降低岩屑清洗难度.     

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。     

崖门水道悬沙输运及底床冲淤特性研究

针对感潮水道独特的水动力特征和泥沙输移情况,同时考虑径流、潮流等多种动力因素共同作用,建立了三维悬沙输运及床面冲淤数学模型.水平方向采用非结构三角形网格,垂向采用σ坐标,利用有限体积法离散积分形式三维浅水守恒方程,对每个控制体单元分别进行水量和动量平衡计算.利用模型对崖门水道的悬沙分布和输运情况进行了数值模拟,对泥沙浓度场的分布特征进行了分析,并对底床冲淤变化进行了定量计算.     

长通道内烟气层水平蔓延阶段的质量卷吸速率实验研究

根据卷吸机理不同,可将通道内烟气蔓延过程分为四个不同阶段.通过模拟尺寸实验,测量了烟气层温度、厚度以及典型截面处的烟气流动速度,确定了不同蔓延阶段的起止位置,并重点计算了火羽流撞击顶棚后的径向蔓延阶段以及随后向一维水平蔓延的过渡阶段烟气层分界面处的质量卷吸速率.通过对实验结果的分析,给出了这两个阶段烟气层卷吸速率的经验关系式.     

深海采矿储料罐输送设备固液两相流数值计算与分析

针对深海采矿所使用的水泵与储料罐组合的矿石输送设备在矿石输送过程中矿石输送浓度难以控制,不利于矿石稳定和持续输送等问题,基于Fluent软件中的Euler-Euler模型,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型对储料罐输送设备内固液两相流进行数值计算和分析.计算结果表明:储料罐内的矿石在inlet1的水射流冲击和自身重力作用下能顺利进入输送管道,在inlet2水射流的卷吸和不断紊动稀释作用下,在出口处能得到稳定持续的矿浆流.同时,仿真结果表明:矿石体积分数随粒径增大而变小,当矿石粒径在5～10 mm范围内时矿石输送的体积分数保持在10％左右;随着储料罐内矿石堆积高度增加,矿石输送体积分数有所增大,但增大的幅度很小;随着inletl速度增大,矿石输送体积分数也相应升高,两者之间呈良好的线性关系,因此通过阀门控制inletl的水流速度就可以实现对矿石输送体积分数的控制;最后通过实验验证该输送设备的可行性,并进一步验证通过控制inletl入口速度控制矿石输送体积分数.