波浪作用下悬沙垂向扩散特性的实验研究

采集长江口潮滩的天然沙,利用华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的波、流水槽,进行了波浪作用下悬沙垂向扩散特性的实验研究.根据实验数据,分别获得规则波和随机波作用下悬沙浓度垂线分布,并确定了在不同波浪作用条件下的悬沙垂向扩散系数以及其它垂向分布.     

近岸悬沙质量浓度垂向分布公式

为解决现有悬沙质量浓度分布公式积分难的问题,基于流速幂函数及摩阻流速推导出一个近岸流速垂向分布公式,并结合悬沙扩散方程推导出平衡状态下可有效避免Rouse公式在水表面为零的不合理性的悬沙质量浓度分布公式。近岸水文及泥沙实测资料验证分析结果表明：该流速、悬沙质量浓度分布公式具有较高的准确性;根据流速、悬沙质量浓度分布公式推导的悬沙输沙率公式可由初等函数表示,并能有效解决爱因斯坦方法积分难的问题。     

基于分数阶对流扩散方程的悬沙垂向分布

为模拟荆江河段的悬移质含沙量在近底区域内异常偏高的分布特性,对比分析了平衡态方程(Rouse公式)、非平衡态方程(韩其为公式)和分数阶方程在描述荆江河段次饱和悬沙垂向分布的适用性。分析结果表明:平衡态方程不能描述强次饱和态悬移质含沙量的垂向分布特性,非平衡态方程在水深大部分区域应用较好但不适用于近底区域,分数阶方程可以较好地描述强次饱和水体含沙量在全部水深区域包括近底层的异常变化,但对公式中新出现的分数阶参数需合理取值。     

非均匀颗粒流动垂向分选实验研究

利用两个半径不同的同心圆筒组成环形流道,在流道上表面安装摩擦板带动颗粒流动,进行非均匀颗粒流动垂向分选实验．该实验方法使颗粒可在环形流道中循环流动,流动速度可调,流动时间不受限制,克服了以往实验中由于流道较短颗粒垂向分选不充分的弊病．实验证实了Savage提出的“空隙填充机制”,小颗粒优先填充于颗粒流动过程中形成的空隙中,逐渐向下层迁移,形成垂向分选．实验结果还表明,快慢速流动两种不同条件下,颗粒垂向分选机制存在本质区别．在颗粒流动速度较小的情况下,颗粒间作用以摩擦为主,颗粒垂向分选的程度取决于颗粒流动过程中随机产生空隙的大小和数量,即主要受“空隙填充机制”控制;随着颗粒流速的加快,颗粒间的碰撞作用加强,碰撞应力逐渐起控制作用,小颗粒空隙填充几率相对减少,部分小颗粒甚至由于碰撞应力作用由下层重新回到上层,导致分选程度下降．     

粘性颗粒剪切流垂向分选实验研究

本文利用剪切室研究了粘性颗粒剪切条件下的流动和分选情况,并针对实验现象和结果展开分析和讨论.实验结果表明,相比干颗粒而言,粘性颗粒相互黏结得更紧密,颗粒的流动性减弱,颗粒在流动过程中的浓度分布、应力状况以及分选均会受颗粒流动性减弱的影响.     

波浪剩余动量流垂向分布研究

将垂向考察区域分为波谷以下部分、波谷至平均水面部分以及平均水面以上部分,应用线性波理论,分段推求波浪剩余动量流沿水深分布函数.建立任意波向角时波浪剩余动量流各分量的计算表达式,给出深水及浅水条件下的渐近表达式,探研波浪剩余动量流的垂向分布情况.取波向角为30°分别计算深水、过渡水深及浅水条件下波浪剩余动量流的垂向分布.结果表明:波浪剩余动量流各分量沿水深并非均匀分布,而且各分量分布情况不尽相同;从波面到海底,存在反向变化的现象;浅水条件下,波谷以下部分所占比例相当可观.计算成果与实测资料和研究分析结果是一致的.     

二维物体入水数值模拟

基于势流理论和边界元法模拟了二维剖面以恒定速度入水问题,采用双点模型处理自由面物面交点、4阶龙格-库塔法对自由面进行迭代求解,并利用自由面平滑技术和网格重新划分技术阻止自由面不稳定现象,根据射流区截断模型处理射流区,采用辅助函数法求解物面压强分布以保证数值解的准确性和稳定性.探讨了网格划分对数值结果的影响以及剖面斜升角对最大压强值以及垂向力的影响.预报了不同斜升角的V型剖面的自由面形状和剖面压强分布、最大压强值以及垂向力,并与相似解进行了比较.比较结果验证了本文方法的有效性和准确性.     

部分水深平均二维计算模型的研究

通过研究天然河流中瞬时源排放近区垂向混合规律,建立了部分水深平均二维计算模型,推导得出瞬时点源垂向均匀混合的纵向距离及垂向部分混合水深的理论表达式,并建立线源排放垂向均匀混合的给 距离及垂向部分混合水深的函数关系,把上述成果引入了部分水深平均二维计算模型,将其应用于长江口段罗丹明示踪剂瞬时源排放浓度场的计算中,计算结果与现场趾监测资料及全场水深平均二维模型的计算值进行比较,可看出部分水深平均模型计算值与实测值证较好,而全水深平均模型的计算值在近排口范围内与实测值相关较大。     

长江口北槽下游河道悬沙浓度垂向分布特征研究

根据2013年10月26日至11月9日在长江口北槽下游河道从小潮到大潮连续14 d的现场定点水沙观测数据,对北槽下游河道悬沙浓度的垂向分布特征进行了研究,并探讨了盐度梯度和流速大小潮变化对悬沙浓度分布的影响.结果表明,北槽下游河道的水动力条件存在显著的大小潮差异,小潮具有流速弱、悬沙浓度低、盐度梯度大、盐度分层显著的特点,而大潮则具有流速强、悬沙浓度高、盐淡水混合程度高、盐度分层弱的动力特点.受较大盐度梯度和弱流速的影响,小潮期间的悬沙浓度分布主要为阶梯型和L型,强盐度密度分层使悬沙难以扩散到水体表层,高浓度悬沙仅出现在水体中下部.在强流速和弱盐度分层的影响下,大潮期间的悬沙浓度分布主要为线性分布,悬沙能够扩散到水体表层,盐度密度分层对悬沙浓度分布的影响显著削弱,在落潮后期悬沙浓度分布表现为典型的垂线型分布,悬沙在水体中充分混合.研究表明,小潮和大潮的悬沙浓度分布基本偏离Rouse分布,仅在小潮落憩时刻符合.在大潮期间,实测的线性分布都很好地符合Soulsby公式,利用该公式能够很准确地预测这些浓度分布.     

挟沙水流速度与含沙量垂向分布关系探讨

采用数据拟合构造的挟沙水流掺混长度,结合Prandtl掺混长度理论,得到新的挟沙水流流速分布。类比动量传递系数表达式与掺混长度的关系,结合挟沙水流流速分布公式,得到新的含沙量垂线分布公式。分别利用水槽及河道实测资料验证,结果表明流速公式与含沙量公式可以客观准确地描述流速、含沙量垂向变化规律,对含沙量有更高的精度。误差分析表明:近底层流速误差较大,说明底部边界层的选取与判别仍需深入探究;近表层含沙量误差较大,说明含沙量参考点的选取在理论上仍需研究,以摆脱其随机影响。     

基于含沙紊动水流掺混长度的含沙量垂线分布

根据Prandtl掺混长度理论对紊流动量传递的假设,推广得到挟沙水流中泥沙扩散对应的含沙紊动水流掺混长度。类比Prandtl动量传递系数与紊流掺混长度的关系,由含沙紊动水流掺混长度推导出与实测数据吻合较好的泥沙扩散系数,得到新的含沙量垂线分布公式,并利用多个海域实测资料对其进行验证。验证结果表明,新的含沙量垂线分布公式能够较客观地反映含沙量垂线分布规律。     

明渠水流泥沙含量垂线分布规律的研究

在分析泥沙颗粒含量分布特性的基础上,指出扩散理论能较好地描述主流区的泥沙含量分布规律,但在近底流区由于泥沙碰撞切应力的存在,使得扩散理论不能解释此区域的泥沙含量分布规律.进而在引入颗粒碰撞扩散的基础上,对泥沙颗粒扩散理论进行修正,从而在理论上得到了挟沙水流泥沙含量分布规律的公式.与实测资料对比表明,该公式能更好地描述包含主流区与近底流区在内的泥沙含量分布规律.     

高温堆双区堆芯交混区内球分布实验研究

双区堆芯的设计代表了高温气冷堆技术的发展方向之一。为确定高温气冷堆双区堆芯交混区内燃料球分布情况开展实验研究,解决与高温堆堆芯结构和物理设计密切相关的问题。实验结果表明:交混区内燃料球和石墨球的概率分布具有良好的对称性;堆芯上部的交混区内燃料球分散度较小,中部较大,交混区并没有无限扩散而具有确定的范围,说明球流运动是一种有限的分散性;在加球面上加入任一球其在交混区内的概率密度分布满足Gauss分布规律;根据Gauss分布对称中心可以确定交混区内球流均值流线并从理论上确定交混区大小。     

高含水率淤泥的流动电渗透脱水实验

为拓宽电渗透脱水实际应用范围,创新淤泥流动脱水技术,设计开发了流动淤泥电渗透脱水装置系统。研究了脱水时间、电压梯度以及离心泵功率对高含水率淤泥脱水速率及脱水能耗的影响并对装置的运行参数进行了优化。单因素实验结果表明:在3 h内,脱水速率、能耗系数基本保持稳定。在电压0~10.34 V·cm~(-1)的范围内,随着电压梯度的增大,淤泥电渗透脱水速率和能耗系数均相应增大。在水泵功率7~22 W的范围内,淤泥脱水速率与离心泵的功率呈正比关系,不同的是能耗系数随着水泵功率的增大而减小。响应面实验结果表明了在电压梯度0~10.34 V·cm-1,以及离心泵功率7~22 W的区间范围内,离心泵功率与电压梯度的交互作用并不明显,其中离心泵功率对脱水速率的影响更为显著。通过响应面实验得出在实验范围内装置的最优电压梯度和离心泵功率分别为10.34 V·cm-1和22 W,最优脱水速率为3 m L·min-1。