双层刚性植被明渠水流特性实验研究

基于粒子图像测速(PIV)技术对双层刚性植被水流进行了水槽实验,分析了植被在不同流量、水深以及不同植被排布方式下对水流的影响,研究了双层刚性植被水流的纵向流速、垂向流速和紊动强度等水力特性.实验结果表明:当水深和流量相同时,线性排列的植被对水流的抑制效应强于交错排列的植被;当植被排布方式相同,流量和水深在一定范围内增大时,植被对水流的抑制效应也随之增大;双层植被的存在,使水流的流动结构及紊动特性变得更为复杂,在植被层顶部附近物理量变化最为显著.     

非浸没式刚性植被群分布对弯道水流的影响

为分析不同刚性非浸没式植被群分布对弯道水动力特性的影响,采用180°U形折叠往返式水槽模拟天然弯道河流,运用声学多普勒流速仪(ADV)进行测量,通过测量数据计算弯道水流水位、纵向流速分布、湍流动能(TKE)、环流强度以及弥散系数等.结果表明:植被存在情况下水位增高,在植被的"阻滞"作用下,植被区的流速远小于非植被区的流速,但在植被区域和非植被区域之间产生大的流速梯度;植被和弯道都会加剧水流紊动效应,植被区和非植被区交界处的湍流动能最大,且沿弯道出现湍流动能的重分布现象;由于植被对于弯道环流有阻碍作用,使得弯道环流在非植被区很强,而在植被区很弱;植被对横向弥散系数影响较小,非均匀植被对纵向弥散系数影响较大.     

植被覆盖的河道水流纵向流速垂向分布

为研究天然湿地灌木植被群落交错区植被特征参数垂向变化对水流流速垂向分布的影响,进行了室内实验。在室内水槽种植灌木植被和灌木-草本植被,沿纵向方向设置5个监测断面,垂向布设若干测点,利用Doppler流速仪测量纵向流速,比较分析单一灌木植被群落和群落交错区内纵向流速垂向分布规律。结果表明:植被之间水流纵向流速垂向分布近似为双曲线;植被冠层以上流速垂向分布符合幂函数曲线。     

弯道水流紊动强度

采用先进的三维声学多普勒流速仪对水力光滑壁面的弯道水流紊动特性进行了系统的试验研究，较为全面地测量了弯道水流的三维时均流速和脉动强度等．根据试验数据，探讨了弯道水流的紊动机理，分析了弯道水流的紊动特性，得出了弯道水流纵向相对紊动强度的数学表达式；同时还对弯道水流纵向、横向及垂向的紊动强度分布特点进行了比较．     

植被覆盖的河道水流纵向流速垂向分布

为研究天然湿地灌木植被群落交错区植被特征参数垂向变化对水流流速垂向分布的影响,进行了室内实验。在室内水槽种植灌木植被和灌木-草本植被,沿纵向方向设置5个监测断面,垂向布设若干测点,利用Doppler流速仪测量纵向流速,比较分析单一灌木植被群落和群落交错区内纵向流速垂向分布规律。结果表明:植被之间水流纵向流速垂向分布近似为双曲线;植被冠层以上流速垂向分布符合幂函数曲线。     

梯形河道护岸糙率及水流时均与紊动特性

采用仿真草皮和三棱柱砖块模拟生态护岸,通过在室内非对称式梯形水槽内设置变流量和变底坡工况,对不同护岸型式下的梯形河道的糙率、流速分布和紊动强度进行了研究.结果表明:河道综合糙率随水深的增加而增大,改变流量或底坡对护岸糙率值影响不明显;主槽和斜边坡上,纵向流速的垂向分布均符合对数分布规律,横向分布呈现沿主槽向边滩逐渐减小的趋势,流速的横向梯度受河道底坡和护岸型式的影响较大;在主槽区,紊动强度沿垂向线性递减,而边坡区则先增大后减小;紊动能沿横向先增大后减小,在主槽与边坡交界区达到最大,表明交界区的紊动交换最强.     

两种布置方式下的四面六边透水框架周边流场的PIV试验研究

四面六边透水框架是一种新型的防冲促淤结构,一般是由6根相同的杆件相互搭接而成的透空正四面体.采用平面二维粒子图像测速仪(PIV)对四面六边透水框架"迎流布置"和"背流布置"两种典型布置方式下的框架周边流场分别进行了测量,采用240个瞬时流场计算得到了水流时均和紊动流场特性,并与无框架作用下的流场进行了对比.结果表明,框架的存在对水流产生了较大干扰,水流结构发生明显改变;通过分析典型截面上框架后方的流速、紊动强度、雷诺应力及总切应力垂向分布和减速率,揭示了透水框架的防冲促淤机理,并对比了两种布置形式的减速效果,认为背流布置比迎流布置减速效果更好.     

潮流数值模拟中紊动粘性系数的研究

从流体运动基本方程出发，对Boussinesq假设的合理性进行了初步探讨，阐述了紊动粘性系数的物理含义及其在数值计算中所起的作用，就一内设正交丁坝的半封闭海域中的平面紊动粘性系数对二维潮流数值计算结果的影响进行了讨论。结果表明，平面紊动粘性系数对潮位和平均流速的影响较小；随着紊动粘性系数的增加，丁坝背流侧回波的强度和影响范围均明显增大，就风生流和环岛水流两个理论算例中的垂向紊动粘性系数对三维潮流数值计算结果的影响进行了讨论。结果表明，垂向紊动粘性系数越大，流速分层越不明显，流速的绝对值也越小；垂向紊动粘性系数的梯度变化则对水平流速的垂向分布起着决定性的作用。综合理论分析和数值试验的成果，垂向紊动粘性系数宜采用抛物线分布的结构型式。     

城市雨水口流场及紊动特性试验研究

基于具有上下两层结构的城市洪水综合试验平台,使用三维超声多普勒流速仪(ADV)测量较大水深条件下雨水口周边流速与紊动强度的三维分布.试验结果表明:当来流水深较大时雨水口中心会出现一地漏漩涡,来流与漩涡共同作用引起雨水口周边流速显著增加.漩涡中心处流速相对较大且流速纵向分量与来流方向相同侧平均流速大于相反侧,各试验工况条件下最大流速均位于雨水口下游边缘附近.雨水口引起的漩涡增大了水体的紊动强度,紊动强度的平面分布与流速平面分布较为类似,工况2条件下平均湍流动能由水槽进口处0.004m2/s2增加至雨水口下游边缘处0.145m2/s2.水体剧烈的紊动效应使底床摩阻的影响相对减弱,流速沿垂线呈常数型和线性型分布,不符合明渠水流对数型的分布特征.     

温度分层剪切流的试验和数学模型研究

作者对温度分层剪切流进行了试验研究,并建立了数学模型.本文介绍了试验情况,并对数学模型进行了检验.试验结果表明,稳定的垂向温度梯度将显著地减弱紊动强度,分层的稳定性与密度弗汝德数及上下层流速比有关,而与雷诺数无关.模拟计算结果与试验结果符合较好.由计算过程可以看出,紊动Prandtl数,特别是垂向紊动Prandtl数并非常数,其数值与流动及分层条件有关.