PIV测量技术在异重流运动特性实验中的应用

异重流是国内外研究的热点之一,也是水利工程专业“河流动力学”的重要教学内容。为加强学生对异重流运动特性专业知识的理解,提高“新工科”教育理念下学生的创新素质和综合素质,特设计出基于PIV测量技术的盐淡水异重流运动特性实验。学生通过拓展知识预习,实验方案设计, PIV测量技术学习,异重流入侵过程观察,以及异重流运动特性的结果分析,实现了综合设计型实验的训练,提高了解决实际问题的能力,提升了实验创新水平。     

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...     

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.     

河口航道双丁坝影响下异重流运动特性

在河口地区,由密度梯度驱动而产生的异重流是影响航道内泥沙输移的重要因素之一。作为航道整治中常见的建筑物,丁坝群可以缓解航道的泥沙淤积问题、提高通航能力。为探究双丁坝对异重流运动特性的影响,运用粒子图像测速系统（PIV）开展了开闸式异重流实验,研究了在不同束窄系数情况下,航道异重流稳定阶段内的流场及湍流特性,并对比分析了异重流在两个丁坝位置特征断面处的单宽流量及总流量。结果表明,双丁坝改变了航道内的流场,异重流在经过束窄断面后会向第二个丁坝后部区域横向扩散,进而使得流速加大、高度降低;异重流在两个丁坝束窄断面的单宽流量近似相同,且与束窄系数无关;异重流在束窄断面的总流量与断面宽度成正比,在实际工程中可以通过适当调整丁坝长度来控制侵入航道的异重流总量。     

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.     

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.     

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。     

半岛浅水尾流近区流动特性的实验研究

采用数字粒子图像测速(DPIV)技术,在长30?m、宽3.5?m、高1?m的水槽中比较系统地测量了5种形状半岛模型在不同来流条件下的尾流区流场. 总结了时均流场和大尺度漩涡的运动规律,得到了控制尾流流动形式的稳定性参数的临界范围. 比较了不同半岛形状对尾流流动的影响,分析了半岛尾流近区不稳定流动的机制.     

组合桨液相搅拌槽内流动特性的实验研究及数值模拟

采用粒子图像测速技术 (PIV),对直径为0.19 m的三层组合桨 (HEDT+2WH) 搅拌槽 (直径为0.48 m) 内的流场进行了实验研究,并利用标准 k-ε 模型对相应的流动特性进行了数值模拟。实验结果表明：通过改变层间距、顶层桨的浸没深度及上两层桨的操作方式可以得到4种不同流型,每种流型内循环结构的数目各不相同;上两层桨下压式操作时,流场的循环结构最少,只有两个;高速区和高能量区的分布相同,都位于各个桨叶的射流区内,且底桨射流区内的速度值和湍流动能值都大于上两层桨。模拟结果表明：标准 k-ε 模型对流场的预测较为准确,但对于有5个循环结构的流型模拟误差较大;湍流动能分布型式的模拟值与PIV实验结果吻合较好,但数值偏低,表明标准 k-ε 模型在预测复杂流型时需要改进;功率准数的模拟值与实验值基本一致。     

过渡流搅拌槽内单颗粒悬浮特性的实验研究

利用高速摄像技术对过渡流搅拌槽内单颗粒的运动特性进行捕捉,分析了搅拌雷诺数及桨叶离底高度对颗粒悬浮运动的影响规律,并使用二维粒子图像测速技术得到搅拌槽内的流场信息。研究结果表明：颗粒的临界悬浮转速随桨叶离底高度的降低而降低;桨叶离底高度对颗粒在槽底的运动影响较大;颗粒在垂直离底悬浮后,于桨盘下方附近螺旋上升或作持续的螺旋状圆周运动;搅拌雷诺数升高对颗粒垂直上升的最大高度和最大速度影响较小,但会减小垂直上升过程中桨盘的转动圈数;颗粒螺旋上升是由于轴向流场在颗粒停滞位置向两侧产生了分叉;颗粒的悬浮主要是由流体的主体流动引起的。     

SMA混合料最大理论相对密度试验研究

为了更好地控制SMA混合料上面层的压实度,文章对最大理论相对密度的2种不同方法(真空法和溶剂法)进行了试验研究。结果表明,从平行试验误差、试验值的稳定程度和波动范围3方面综合判断,可以准确测定SMA混合料最大理论相对密度;指出了现行规程存在的缺陷和不足;提出了试验修正过程和三氯乙烯相对密度的标定以及回收再利用问题。     

坝基破碎带岩体渗透特性试验研究

破碎带岩体在坝基分布范围广,厚度巨大,形态复杂,力学性质差,是重力坝抗滑稳定最不利的因素之一.为研究破碎带岩体的渗透特性,为坝基防渗设计提供依据,分析了岩体的微观结构,研究了高压压水条件下破碎带岩体的渗透性能.研究结果表明,破碎带岩体结构松散,晶体结构以粘土矿物为主,具有很强的亲水性;破碎带岩体经过不同程度的溶蚀,导致结构松散;破碎带为强透水性岩体;试验得到岩体的极限水力坡降为40,临界坡降为20左右.综合分析表明,破碎带岩体具有较高的透水性,是坝基防渗处理的重点.     

Experimental study of flame spread over oil floating on water

The phenomena and mechanism of flame spread over oil floating on water were studied using temperature measurements made by fine thermocouples and an infrared camera,schlieren images of surface convection and video recordings of flame spread.The experimental results reveal that the floating-oil depth greatly affects the average rate of flame spread and average flame pulsation wavelength.The surface tension effect is the main cause of surface convection,which controls flame spread.Momentum loss and heat loss from forward-flowing hot oil to water play an important role in retarding flame spread for oil thicknesses less than about 8 mm.     

单层铺砂条件下煤岩裂缝导流能力实验研究

为了深入研究煤岩压裂裂缝导流能力,运用FCES-100裂缝导流仪测试了低铺砂浓度尤其是单层铺砂条件下煤岩裂缝导流能力,并考虑了嵌入作用、天然裂缝等因素的影响.实验结果表明:在较低闭合压力下单层铺砂能够支持煤岩裂缝,获得理想的导流能力;不同煤岩由于力学性质的不同,单层铺砂导流能力存在较为明显的差异,在高闭合压力下支撑剂嵌入对质软的煤岩裂缝导流能力伤害严重;时间和实验煤岩板上存在的天然裂缝对单层铺砂煤岩裂缝导流能力存在影响.     

细砾质斜坡海床上波浪的传播特性试验

为了解波浪在渗透性良好的斜坡海床上的传播演变机制,在水槽中开展细砾质斜坡海床上波浪传播特性试验,研究海床土体孔隙水压力响应特征、波浪在斜坡海床上发生浅水变形区域内波浪近底水平流速特性以及波浪在可渗透斜坡海床上的传播演变特性。试验结果表明:海床中超静孔隙水压力随着波浪波高和周期的增大而增大;近底水平流速随着波浪浅水变形程度的增加而增加;波浪厄塞尔数越大,斜坡上波浪浅水变形越明显,各谐波之间的波-波相互作用越剧烈;在浅水变形初段,海床渗透作用大于波浪浅水变形作用,在浅水变形剧烈区域,波浪浅水变形作用大于海床渗透作用。     

基于失重飞机的微重力科学实验系统

为了在俄罗斯ИЛ-76МДК失重飞机上开展微重力科学实验,研究了其上的实验系统。采用系统集成的设计思想,各实验单元在满足接口要求的条件下,单独进行研制;然后通过总线与公用平台相连,构成星形拓扑结构。系统集成后形成以公用平台为中心、具有遥测、遥控和数据采集等功能的全自动实验系统。该系统在俄罗斯加加林航天员训练中心成功地进行了7个架次的飞行,获得了失重条件下大量飞行实验数据、实验样品和录像资料。飞行实验结果表明,系统集成的方法是成功的,并可应用于其它实验系统的研究和设计。     

边界层对粗糙单裂隙溶质运移影响试验

为探究非费克(non-Fickian)运移表现出的峰值提前到达和拖尾等现象,开展了粗糙单裂隙溶质运移试验,总结了粗糙单裂隙中溶质运移特征及运移机理,结合边界层理论对峰值提前到达和拖尾现象进行了分析和解释。结果表明：峰值时间和拖尾时间与边界层厚度之间存在较好的线性相关关系;边界层对裂隙介质溶质运移有较为显著影响,即水流速度越小,边界层厚度越大,滞留在边界层内部的溶质越多,溶质获取率越低;粗糙单裂隙中溶质穿透曲线的峰值提前和拖尾现象是由裂隙中心处以惯性力主导的主流区和裂隙壁面以黏性力主导的边界层区共同作用造成的,其中峰值时间主要由主流区的对流因素控制,而边界层区域的存在对拖尾时间影响较大。     

波流作用下破波带内污染物输移扩散试验

利用在破波带内连续采集的污染团图像,研究平直斜坡上规则波斜向入射时破波带内污染物的输移扩散特性。在介绍试验情况以及图像处理方法的基础上,获取污染团的形心点和离散程度,通过追踪形心点在水平二维空间的变化,线形拟合得到污染团在沿岸和垂直岸线方向的输移速度,并分析沿岸方向输移速度与时均沿岸流速最大值的关系;基于高斯扩散理论拟合得到垂直岸线方向扩散系数。利用该方法获得了 5 种波况下污染团水平方向输移速度、垂直岸线方向的扩散系数,并对其进行分析。结果表明:沿岸方向的污染物输移速度约为时均沿岸流速最大值的 33%,垂直岸线方向输移速度及扩散系数分别在 0.008~0.030 m/s 和 0.16×10^-3~2.6×10^-3 m²/s 范围内。