沙纹床面明渠层流稳定性特征的研究

河流床面总是伴随有一定的形态, 如沙纹或沙垄等. 即使原始理想的平整床面, 并保持水流运动的层流状态, 在流动开始后不久, 由于外界的扰动作用, 层流失稳, 床面也会出现沙纹. 而沙纹的出现, 又将进一步改变原始平整床面层流失稳的“轨迹”. 床面沙纹的波状特征, 将诱发明渠层流新的不稳定性, 与平整床面层流失稳相比, 两者存在本质的区别, 其稳定中性曲线前移, 失稳临界Reynolds数降低, 流动失稳过程中, 对扰动波数的响应范围加大, 层流失稳更容易发生. 沙纹移动频率也会对流动失稳产生较大的影响, 动床明流失稳与定床明流失稳有很大差别, 对此也做了研究.     

泥沙颗粒跃移运动机理

水流中泥沙颗粒的跳跃运动是推移质运动的重要形式,根据泥沙颗粒运动过程的受力分析,建立了忽略颗粒旋转和紊动影响的泥沙颗粒跃移运动模型,并采用数值计算方法,求解了跃移运动方程,得到了跃移运动参数（跃移长度、跃移高度、跃移速度）的统计特性,所得结论与实验资料吻合较好;通过对数值计算结果回归分析,得到了跃移运动参数以及输沙率的数学表达式,对于了解推移质运动机理有重要的意义．     

正弦派生曲线弯道中水沙运动特性动床试验

为了研究流量和弯曲度对弯道内水流泥沙运动特性的影响,在无黏沙质床面上进行固定边壁动床弯道模型试验,测量不同弯曲度和不同流量组合条件下弯道内的水流运动特性、地形演变和输沙强度.试验表明,水流动力轴线在相邻2个弯顶之间形成过渡段,弯顶下游凸岸一侧存在局部低流速区,该区域最早出现边滩形态;流量与床面形态之间的关系是非线性的,小幅度的流量变化引起较大的床面变化;微弯河道中浅滩、深槽分布规则,当河道弯曲超过一定程度时,显著影响床面的稳定性,床面形态变得复杂;随着弯曲度的增大,河道的输沙能力有减小趋势.     

风浪与涌浪相互影响的实验

大自然的海浪往往是风浪与涌浪混合在一起,为此研究了实验室的风浪水槽中模拟风浪与涌浪的相互影响,用脉动风模拟风浪及风与浪的耦合作用,用造波机产生不规则波模拟周期相对较长的涌浪．通过单独风浪、单独涌浪、先风浪后涌浪和先涌浪后风浪4种情况的模拟,从波谱的角度分析风浪与涌浪相互影响的规律．发现影响风能输入的主要因素是波浪是否充分发展,而与波陡、风速、波速等没有直接关系,为风浪对海上建筑物的耦合作用研究提供了依据．     

浅水方程大规模并行计算模拟城市洪水演进

基于有限体积法建立求解溃坝水流运动的数学模型,利用Riemann问题求解Godunov格式计算通量,通过空间分块划分的大规模并行计算来加速运算,实现了城市洪水演进的精细数值模拟.数值模拟结果表明,建筑物在溃坝波波前到达初期所受水流荷载最大;受上游建筑物消波、蔽护作用,溃口下游建筑物所受荷载随至溃口的距离的增大而减小,建筑物的存在使得溃坝波在城区传播速度减慢.并行测试表明,缓冲模式比非缓冲模式更适用于浅水方程大规模并行求解.目前大规模并行计算能够实现对面积达400,km2的城区洪水演进进行实时仿真模拟,为滨河、滨海城市在受到溃坝、海啸等洪水威胁时的快速决策和应急疏散提供科学依据.     

弯曲河流水流动力稳定性特征研究

弯曲型河流是自然界最为常见的河流形态,其水流特性以及河床泥沙的作用特性,对河流蠕动发展具有重要的影响,是河流动力学中研究的重要课题.弯曲河道中水流流态的转化涉及河床形态和河势单元的发展模式,包括：弯曲河道三维拟序涡与二次环流产生的条件;不同水流条件下拟序涡尺度分级情况;大尺度紊流结构与河湾自适应、互选择性,等等.本文以弯曲河流明渠为背景,首先对其层流转捩到紊流的特性进行研究,与顺直河道相比,其稳定中性曲线前移,失稳临界雷诺数降低,流动失稳过程中,对扰动波数的响应范围加大,层流更容易失稳.这些研究结果是传统流动稳定性理论中所没有的,本文的研究结果也弥补了这方面的不足和空白.     

顺直河流沙纹动力演变过程的非线性理论

自然界顺直型河流中经常可以观察到各种各样的沙纹床面形态.针对这一典型床面形态,著名河流动力学家Yalin认为是由于局部扰动造成了底部层流失稳进而诱发沙纹的形成,即：局部扰动→层流失稳→沙纹形成,但Yalin对此未能给出理论解释.基于这种观点,本文构建了＂扰动共振三波与床面泥沙作用的非线性理论模型＂,采用摄动方法,分析顺直河流沙纹动力过程及演变规律,解释了非对称沙纹床面形态的形成和发展.这一理论模型为进一步研究床面形态和湍流相互作用机理提供了理论基础,也为研究风成沙纹形成过程提供了一种流体力学理论.     

波浪条件下海底管线与沙质海床间的相互作用

海底管线的稳定性问题是海底管线设计的关键问题之一.通过大型通用有限元软件ABAQUS,应用较为简单的线弹性模型,对海床采用平衡地应力、简化渗流力的方法,建立海底管线模型,初步模拟近海埋置管道与海床之间的相互作用,分别计算了管道在自重和简谐波浪荷载作用下的管道变形及受力状况.计算结果显示,管道自重造成的屈曲对管道的稳定性影响不大,但管道屈曲是破坏海底管道稳定性的最直接的重要原因之一,由于管道自身的屈曲,沿管道截面圆周上各点的位移差比管线整体位移小2个数量级.在自重和波浪荷载两者的共同作用下,管道受土体的挤压,产生较大的弯曲和较小的侧向扭曲,最大弯曲变形比自重作用下的管道最大变形小1个数量级,侧向扭曲位移较弯曲位移小2～3个数量级.     

弯曲河流湍流结构动力演化特征

将弯曲河流中湍流结构看做一种扰动波,通过分析扰动波增长率的变化来研究湍流结构的动力演化特征.针对二维弯曲河流,采用流动稳定性理论与摄动法建立河流自然坐标下的湍流运动理论模式,运用差分法离散方程,利用Muller法进行特征值求解,进而分析弯曲河道二维湍流结构在不同弯曲度和雷诺数条件下的变化.结果表明,湍动能量主要由小尺度涡体结构产生的脉动来提供,小尺度涡体结构的演变比较剧烈,对河道弯曲度和雷诺数的改变也更敏感.另外,弯曲河道对拟序波有一定的选择性,也正是这些特征波的湍流结构促成了弯道的形成及保持.     

蜿蜒河流平面形态的几何分形及统计分析

自然界中大型蜿蜒河流的平面形态是一种多尺度分形结构．笔者对蜿蜒河流平面形态进行了几何分形分析．计算了蜿蜒河流河道中心线的分形盒维数,并利用分形维数对大型河流的弯曲度和不规则程度进行了描述．另外,建立了对蜿蜒河流河弯形态进行识别、概化以及特征量统计分析的方法,并将其应用到黄河、长江等河流的几何形态统计分析中．河弯形态的统计结果能够为有关工程的建设、河流生态修复及理论分析等提供信息支持．