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.     

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.     

双重障碍物对开闸式异重流运动特性的影响

异重流现象广泛存在于自然环境和水利工程中。现实工况中，底床设置障碍物是抑制异重流侵袭的有效手段，因此研究障碍物对异重流运动特性的影响具有实际工程价值。采用开闸式异重流实验，对比不同障碍物间距及高度对异重流最大扩散高度、头部速度等方面的影响，从而得到双重障碍物最优工程布置方案；分析异重流在障碍物上下游区域的速度剖面及其越过障碍物时的涡度场；对比无障、单一障碍物、双重障碍物工况对异重流掺混系数的影响。结果表明，双重障碍物最优布置方案为第一障碍物高于第二障碍物，障碍物间距要尽可能大，但应保证异重流遇到第二障碍物之前未恢复典型头部形态；在双重障碍物上游区域，异重流速度剖面出现畸变，畸变范围大致与障碍物等高，主流速度衰减明显，在障碍物下游区域，完成形态重塑的异重流，其速度剖面均存在明显的壁面区和射流区；相对于无障和单一障碍物工况，流经双重障碍物的异重流厚度明显变小；越障前后，异重流掺混系数呈现“M”型分布，越过第二障碍物后异重流的掺混速率明显大于第一障碍物。结果可为防治异重流灾害及保证水利工程安全等领域提供参考。     

线性层结环境和浸没式植被对斜坡异重流运动的影响

开展一系列开闸式斜坡异重流水槽实验,分析线性层结和均匀水体中斜坡异重流遭遇刚性植被群的发展和演变特性.采用彩色数码相机记录异重流发展过程,并利用粒子图像测速技术(PIV)获取局部流场结构.结果表明:对于有植被工况,异重流的头部速度可分为加速、减速、二次加速及二次减速4个阶段.各阶段之间的转变位置随层结度增大而前移,但受植被密度影响不明显.在层结环境中,受植被群影响,异重流会出现"首次分离-前进-二次分离"现象.植被群削弱异重流涡度场的发展,随植被密度增大,该差异愈加显著.层结水体和植被群均会抑制异重流涡度场的发展,其中层结水体的抑制作用更强.     

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.     

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.     

异重流水卷吸经验式不确定性对层平均数学模型的影响

基于贝叶斯定理的Gibbs随机采样方法,结合现有异重流水卷吸实验数据,探讨了异重流水卷吸经验式中经验系数E_1和E_2的不确定性,获取的E_1和E_2样本总数为2×10~5.统计发现,其中概率最大的(E_1,E_2)样本取值与原式取值相近.将样本值输入异重流层平均水沙耦合数学模型,模拟陡坡上异重流演化过程.结果表明:计算异重流厚度、速度、泥沙体积分数、底床形变区间范围随运动距离的增加逐渐增大;采用概率最大经验系数值可能低估异重流厚度和泥沙体积分数,高估异重流速度和底床形变;95%样本输入异重流模型所得计算水力参数范围远大于25%样本所得计算水力参数范围,意味着模型对(E_1,E_2)的取值十分敏感.     

绕带空化器回转体空化流动特性的试验研究

为推动超空泡在水下兵器减阻领域的应用,采用试验的方法研究了绕超空泡回转体的自然空化流场特性.试验中,采用高速全流场流动显示技术获得了不同空化数下绕回转体的空泡形态,并运用粒子图像测速技术(DPIV)测量了相应工况下流场的时均速度和涡量分布.结果表明:随着空化数的降低,绕回转体空化区域不断增大,不同空化数下的空化区均为低速高湍流脉动区域,该区域的速度远小于主流速度,但存在大的湍流脉动;云状空化阶段,涡量聚集区由头部向后延伸的涡带逐步转化为涡团分布,且区域明显扩大.      

平板微通道壁面粗糙度对流场影响的摄动分析

选取相对粗糙度作为小参数建立了平板微通道流动的摄动方程组,采用傅里叶分析结合数值方法进行求解.计算结果表明:影响流场结构的主要因素为相对粗糙度和粗糙曲线的空间波数.当保持波数不变,增加壁面相对粗糙度时,无量纲流函数扰动峰值将增大,而流场受扰区域不发生变化;当保持相对粗糙度不变,减小空间波数时,流函数扰动峰值和流场受扰区域都将增大;近壁区流场中存在明显的涡结构,涡结构的出现使得流场内部的黏性耗散作用增强,因此导致相同条件下微通道层流的流动损失高于大尺度流动时的阻力损失.