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.     

圆管内楔形节流件周围流场的TRPIV实验测量

应用高时间分辨率粒子图像测速技术(TRPIV),研究圆管内楔形节流件周围流场.对Re在2×104~16×104之间,5种圆管内楔形节流件周围流场进行高时间分辨率精细测量.结果表明:楔形节流件下游回流区长度Xr随楔形前后夹角增大而增大.回流涡涡心位置在x方向上随楔形前后夹角增大而增大;在y方向上随楔形前夹角增大而增大,随楔形后夹角增大而减小.回流区边界受圆管侧壁处二次分离流动影响显著.     

动态失速涡的绝对／对流不稳定性分析

计算了等速上仰ＮＡＣＡ００１２翼型动态失速过程的流场结构，在准定常假设下对失速主涡形成的分离泡进行了绝对／对流不稳定性分析．随攻角增大，失速主涡流场经历了对流不稳定到绝对不稳定的变化．当绝对不稳定区增大到覆盖整个分离泡时，流场从整体稳定转变到整体不稳定，出现涡量二次尖峰状喷发，切断了主剪切层，主涡随之脱体，导致动态失速     

环境参数对空气源热泵蒸发器表面霜层影响研究

对一台空气源热泵翅片管蒸发器表面结霜特性进行了实验研究,分析了室外环境温度和相对湿度对霜层的形态、平均密度、总平均密度及动态密度的影响.实验结果表明:室外环境温度的降低或相对湿度的增加将促使换热器表面霜层在生长过程中形成针状霜晶,乃至形成绒状霜层;在高温、高湿度工况下,霜层表面出现凝结水滴,使得霜层密度增大.在霜层减速生长段,霜层平均密度随结霜时间呈增大趋势,而在霜层加速生长段,霜层平均密度随结霜时间迅速减小,且动态霜层密度远远小于霜层平均密度.对环境参数不同而霜层厚度相同的霜层平均密度进行比较发现,其随环境温度的升高及相对湿度的减小而增大,且相对湿度的影响在低湿度工况下更为显著.     

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.     

三峡水库香溪河库湾水动力特性分析

为研究解决三峡水库支流库湾水环境问题, 必须探明三峡水库支流库湾的水动力过程. 基于2008年的野外观测数据, 对香溪河库湾水流速度、水温、浊度、水位、流量等因子进行分析. 结果表明香溪河库湾水动力特性难以简单概化为一维特征, 而在深度上具有分层异向流动特征. 支流上游来水主要以顺坡底部异重流形式流出库湾; 干支流水体密度差的变化及水位变动带来干支流水体处于频繁的交换状态, 水库干流水体主要以倒灌异重流形式进入库湾. 香溪河库湾异重流主要由水体之间的温差和浊度差引起, 其中温差是主要原因. 倒灌异重流潜入点深度主要决定于干支流水体密度差; 潜入点异重流厚度主要受水库干支流水体密度差及水位高低影响; 潜入库湾的距离主要受支流上游来流量、水位高低及水位日变幅影响.     

基于分离涡模拟方法的导管桨近尾流场及尾涡特性分析

基于分离涡模拟(DES)方法对设计工况下导管桨的近尾流场及尾涡特性进行数值模拟.数值计算中选用SpalartAllmaras湍流模型封闭N-S方程,采用滑移网格技术及混合网格划分方法完成导管桨敞水性能数值计算.通过分析导管桨瞬态尾流场及尾涡空间结构发现:近尾流场中螺旋桨半径区域瞬态诱导速度大,尾流中分布着连续漩涡结构,尾流加速作用明显.导管桨尾涡主要由导管剪切层涡、叶片涡系及毂涡组成,叶片涡系中包含叶梢涡、叶根涡、毂涡及相邻梢涡带之间诱导产生的S形二次涡;导管桨尾涡结构中多重涡系之间产生复杂干扰,尾涡形态出现融合、扭曲、分解并逐渐扩散.     

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.     

CLT桨的尾流场及梢涡特性数值分析

为了探究尾流收缩叶梢负载(CLT)桨的尾流场及梢涡特性,基于商业计算流体力学软件Star-CCM+对CLT桨P1727的尾流场进行了数值模拟.计算采用DDES(延迟分离涡)方法在进速系数J=0.5的工况下对三套网格进行了不确定度分析,确认了数值方法的可行性,然后对螺旋桨的敞水性能及尾流场进行了计算.研究表明:尾流场的网格细化对螺旋桨的推力及扭矩只有微弱影响,对桨后的流场具有较大影响;尾流区域轴向速度分布分为加速流与自由流,进速系数越大,加速流与自由流的分界线向外扩散的趋势越弱;相邻梢涡之间会发生融合,进速系数越大,融合得越晚,梢涡强度越弱;CLT桨相较于常规桨多出一个端板涡,并且会与梢涡融合;梢涡在向下游发展的过程中,会有明显的收缩现象.     

秦岭西段油松人工林碳素空间分布规律研究

采用固定样地方法,对油松人工林植被层生物量碳密度进行估算,利用(10a)龄段从0～50a划分5组,每组5块样地共选25块样地,每组5块样地,对样地植被层生物量碳密度进行了估算并推算到林分,结合海拔高度、年龄结构对林分碳素空间分布规律进行了研究.油松人工林植被层乔木皮的含碳率最高为5.281,根的含碳率最低为0.4904,;灌木杆的含碳率最高为0.4818,枝最低为0.4523;草本地上高与地下为0.3275、0.2046;碳密度在前50年随年龄增大碳密度也增大,在前30年碳密度随年龄增大,增幅比较大,30年以后碳密度随年龄增大,增幅比较小;油松人工林分在1600m海拔高度地段是最适生长且碳密度最高.     

垂直涡度方程的比较分析

通过对经典垂直涡度方程、全型垂直涡度方程、新型垂直涡度方程之对比分析,发现由位涡方程出发导出的全型垂直涡度方程存在着不足:(1)在θz=θz=0的中性层结情况下,方程不适用;(2)在一般情况下,全型垂直涡度方程不能准确反映力管项-α×p作用对垂直涡度变化的影响;(3)全型垂直涡度方程高估了倾斜涡度强迫对垂直涡度发展的作用.     

温度异重流作用下三峡香溪河库湾春季营养盐时空分布特征研究

三峡蓄水后,香溪河库湾春季出现多次水华现象,其与库湾水动力场及营养盐的时空分布密切相关.本文采用数值方法模拟初期蓄水后温度异重流作用下香溪河的水动力场分布,以守恒物质为示踪剂得到香溪河库湾春季营养盐的时空分布特征.结果表明,初期蓄水后,香溪河库湾流速大幅降低,水体滞留时间增加,上游来流对营养盐的输移作用明显减弱,营养盐易在库湾长时间聚集;同时库湾与长江干流水体温差增大,在异重流作用下,长江干流水体在春季沿表层流入库湾,相应营养盐也随水流带入,干流水体对香溪河库湾营养盐的补充作用明显.异重流的存在对营养盐空间分布影响较大,其影响范围随三峡坝前水位及香溪上游来流不同有小幅变动,通过示踪剂的浓度沿程分布可直观给出香溪河上游来流及长江干流入流在库湾的主要影响区域.研究可为三峡水利枢纽正常运行后库湾支流营养盐的控制和治理提供方法和依据,也可为相似库湾营养盐的分布特征研究提供参考.     

山脉地形下击暴流风场数值模拟

山区是下击暴流多发区域,为了研究下击暴流作用下连续山脉地形的风场特性,采用大涡模拟(LES)分析了山脉高度、间距等地貌因素对特征位置风场的影响.结果表明:山脉高度大于50 m时,山脚及山顶位置径向极值风速的大小随山脉高度增加而逐渐减小;山顶的加速效应主要受山高影响,其加速因子在近地面较大,而山脚的加速效应在上部空间较大;双山脉时,后山脉对前山脉湍流度的变化影响不明显,后山脉的湍流度呈现出随山脉间距扩大而先增大后减小、随前山脉高度增加而逐渐增大的变化规律.     

可压缩轴对称冲击射流流场的数值模拟

数值模拟一种可压缩轴对称冲击射流。所构造的数值模拟方法是:直接求解柱坐标系下的二维可压缩Navier-Stokes方程的差分离散方程,其中对流项采用基于非等距网格上的五阶精度迎风紧致型差分格式,黏性项采用基于非等距网格上的六阶精度对称紧致型差分格式,时间项采用3步三阶精度Runge-Kutta方法。模拟不同雷诺数、马赫数条件下冲击射流大尺度涡结构的演化过程。结果表明:流体从喷嘴射出后卷起形成一个独立的大尺度负涡,即初生漩涡,它会在壁面处逐渐激发出一个具有正涡量的壁面二次生成涡;初生漩涡和二次生成涡互相旋转挤压,壁面二次生成涡的力量很快占优势,带动初生漩涡向流场内部发展;随马赫数的增大,初生漩涡具有更强的力量,抑制了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展;随雷诺数的增大,初生漩涡的力量有所减弱,促进了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展。     

纵向涡强化通道内换热的数值研究及机理分析

用三维数值模拟方法研究了纵向涡发生器用于层流矩形通道的流动换热特征.研究了Re(为800~3 000)、涡发生器的冲角(分别为15°、30°、45°、60°、90°)、纵向涡发生器的形状对通道平均Nu和平均阻力系数的影响,并利用场协同原理进行了分析.结果发现:纵向涡发生器产生的二次流使全场速度和温度梯度之间的平均夹角减小,换热得到强化;纵向涡能改善包括涡发生器附近区域以及下游广阔区域的场协同性,而横向涡只可以改善涡发生器附近区域的场协同性,所以纵向涡可以强化整体换热,而横向涡只可以强化局部换热;对于光通道,协同角随Re增大而增大,但对于有纵向涡发生器的通道,协同角随着Re增大而减小.同时,在面积相同的条件下三角形小翼优于矩形小翼.     

二维含铁磁耦合费米气体磁学性质的研究?

在平均场理论的框架下,推导出外磁场中具有铁磁耦和作用的二维费米气体的自洽方程,在此基础上,运用量子统计力学研究系统的磁学性质.结果表明总磁化强度密度随磁场强度的增大会出现极大值点,且随铁磁耦合强度增大,极大值点向磁场减弱的方向移动.总磁化强度密度也随Lande因子的增大,发生由抗磁性向顺磁性的转变.     

合肥地铁膨胀土膨胀及抗剪特性试验研究

为了考察合肥地区膨胀土的膨胀及强度特性,选取合肥地铁1号线某车站工程段膨胀土,进行击实土样的无荷膨胀率和直接剪切试验,研究了膨胀土的膨胀性和抗剪强度与其初始含水率、压实度的关系。试验结果表明,无荷膨胀时程曲线可以分为快速膨胀、减速膨胀、缓慢膨胀3个阶段。3个阶段的曲线变化特征与压实度和初始含水率有关;初始含水率相同情况下,无荷膨胀率随压实度的增大而呈线性增加,压实度相同情况下,无荷膨胀率随初始含水率的增大而呈二次函数型降低;压实度一定时,凝聚力随含水率增大而线性降低,但内摩擦角随含水率变化不大;含水率一定时,凝聚力随压实度的增大而线性升高,但内摩擦角随干密度变化不大。     

四川盆地相似MCC过程综合诊断分析

利用NCEP 1°×1°资料、加密自动站降水资料及FY2C红外云图资料对2012年7月6-9日及2011年7月4—6日期间发生在四川盆地并造成强降水的4次相似MCC过程的卫星云图特征进行了对比分析,探讨了MCC生成及发展旺盛期的环流场特征,进一步诊断了MCC发展过程的水汽、热力以及动力机制(垂直散度通量、干位涡).研究表明:2例过程中4次MCC的第1、3个是在进入盆地的卷云羽上的对流云团中生成和发展,2、4个MCC是在残留云系上的对流云团中生成、发展和合并,形成过程中均表现为亮温降低、面积增大,川西高原及MCS周围云系逐渐减弱的特点.在强且持续的孟湾水汽输送和不稳定层结条件下,对流层低层西南涡区辐合抬升造成强烈的散度通量辐合向上输送与高层辐散耦合是MCC发展持续的动力机制,且850 h Pa垂直散度通量辐合区与MCC持续区域及观测的地面强降水落区具有良好的时空对应关系.中高纬的高值位涡具有向南向下延伸,低纬低层的低值位涡具有向上向北传播的特点.当干冷空气与较强暖湿气流相交汇时,850h Pa急流左前侧的西南涡区强烈的风场切变与辐合导致强上升运动,触发对流不稳定能量释放,激发MCC云团,造成强降水.