竖缝式鱼道180°转弯段的水力特性与改进研究

受布置型式与地形地质条件等因素的限制,大部分鱼道工程需要设计为折返型,而水流方向改变角度为180°的转弯段,是最能充分利用场地条件、节省空间的布置方式.目前,针对180°转弯段水力特性的研究成果鲜见报道,缺乏成熟完整的设计方法可资借鉴.采用数值模拟方法,对180°转弯段的水流流场进行了计算研究.结果表明,主流区水流紧贴边墙流动,并出现尺度过大的回流区.为改善上述不利流态,提出了增设整流导板的改进措施,并对水流流态改善前、后的水力特性进行了对比研究.研究表明:增设整流导板后,主流区基本位于转弯段的中间部分,主流衰减效果显著;弯段上游回流区的尺度大小、流速值与常规水池相当;弯段、弯段下游回流区的尺度减小,流速值明显减小.     

L头丁坝绕流水力特性的三维大涡模拟

为了解决实际河道中丁坝附近的冲刷和淤积问题,必须探明其水力特性的分布规律.采用气液两相流混合模型结合大涡模型(Large Eddy Simulation)对不同平行导流墙长度下L头丁坝绕流三维水力特性进行数值模拟研究.采用有限体积法离散计算区域,速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用了VOF(Volume of Fluid)法.对不同平行导流墙长度下丁坝附近回流区域和涡量分布"云图"进行分析比较,得出当平行导流墙长度与丁坝坝轴线长度相等时对丁坝后漩涡的限制效果最好;平行导流墙长度对水槽中水流流速的影响很小,可以忽略.在河道中合理布设L头丁坝可以减小漩涡回流区范围,但对主流区流速的影响很小.     

水垫塘冲击射流附壁区的水力特性

采用粒子成像测速技术(PIV)获得了水垫塘冲击射流全域瞬时精细流场,并在此基础上,对附壁射流区的流速分布规律和水流紊动特征等水力特性进行了系统研究.结果表明:在附壁射流区,射流横向断面的流速、紊动强度分布呈自相似分布规律,具有自由射流的特征;在射流纵向,流速随着流程增加而线性减小,射流半扩展厚度和紊动强度随流程增加而线性增大;并提出了描述附壁射流区射流横向断面流速、紊动强度分布规律的方程,同时得到了附壁射流区射流纵向上流速、半扩展厚度和紊动强度沿流程变化的计算公式.     

单株植被河道水力特性影响研究

为研究单株植被对河道水力特性的影响,在分析河道水力特性研究方法有关文献资料的基础上,设计并进行了相关的水槽试验.研究表明,水流流量越大,同一株植被所受的水流阻力越大;流量相同时,阻力随着植被刚度的增大先增大后保持平稳;单株植被在同一流量下,作为挺水植被时比作为淹没植被时对水力特性的影响大.但总体说来,单株植被对水流产生的水力特性改变较小,经验公式的建立还需要进一步的试验才能得出.     

PIV在二维后向台阶流实验研究中的应用

利用粒子图像测速技术(PIV),对雷诺数150相似文献   

明渠水流交汇区流动特征试验研究

天然河流中存在着大量的主支交汇河流,在干支流交汇处,水流结构变得十分复杂。通过水槽试验,应用声速多普勒测速仪（ADV）,观测了入汇角为30°时,支流斜接主流入汇型河道的三维水流结构。试验表明：入汇上游受支流顶托影响,产生一定的壅水,出现低速区,而对侧由于束水作用产生高速区。在入汇一侧下游较短的距离,产生回流现象,并形成分离区,而在下游一定范围内,靠支流入汇侧出现水流高速区,并形成二次流结构。交汇区水流流动主要有水流分离区、高流速带、低流速带及剪切面等。     

黄河上游高含沙支流入汇与交汇区淤积形态试验研究

黄河上游支流十大孔兑高含沙洪水入汇干流、在交汇区形成沙坝淤堵黄河是一种特殊的干支流交汇现象。通过模型试验对孔兑高含沙洪水入汇过程和交汇区沙坝淤积形态进行了初步研究。结果表明：相较于一般水流入汇,高含沙水流入汇造成的交汇口上游壅水程度更高,下游回流区范围更大;壅水区发生强烈的高含沙水流逆行扩散和异重流潜入运动,异重流运行长度是干流流量和干支流动量比的函数。壅水区形成具有倒坡降的楔形淤积体,回流区形成带状淤积体,水流偏转区和高流速带形成凹坑。支流总来沙量是影响淤积规模的重要因素,各部分淤积体几何特征与支流来沙量有很好的正相关关系。     

水下穿越管道悬空段受力特性的试验研究

水下穿越管道在常年服役过程中由于自然、人为等因素易产生裸露、悬空等现象,使得管道部分或全部暴露于水流中,其受力状态发生改变,甚至断裂,严重威胁着管道安全与河流生态健康。为了研究水下穿越管道经水流冲刷露出的悬空段所受水流作用力的受力特性,开展了水工物理模型试验,探究了在流量一定时,流速、管流夹角、管径以及间隙比4种因素对穿越管道悬空段所受水力荷载的影响。试验结果表明：管道迎水面部分受压,部分受拉,管道背水面全部受拉,管道迎水面中点处压力值最大,管顶拉力值约为管底拉力的1.05～1.25倍,管道表面各点压力值与流速、管径、管流夹角呈正相关,与间隙比呈负相关,管道压力分离点位置随流速、管流夹角、管径的增大而前移,随间隙比的增大而后移。单位长度管道所受上升力大小约为水平拖曳力的1/10～1/20,二者均随流速、管流夹角、管径的增大而增大,随间隙比的增大而减小。根据试验数据,结合多元回归模型拟合得到单位长度管道所受水平拖曳力和上升力的计算公式,其公式计算结果与试验结果基本一致,且在实际工程算例中具有良好的普适性。研究成果将为水下穿越管道的布线设计、冲刷防护及运营管理提供一定的理论参考。     

植被群河道水流特性试验研究

为研究河道中植被群的存在以及床面糙率对植被群上下游的水流特性产生的影响,分别设计了动床与定床情况下的试验,试验中采用木质圆柱模拟植株组成疏密不同的非淹没圆形植被群。通过研究含植被群水流的流速和紊动动能的分布,来分析植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程。试验研究表明,当植被群的直径不变时,试验表明植被群上游的水流调整长度与植被群的密度无关,在该试验条件下,床面糙率对其影响可以忽略;提出体积分数φ作为综合表征植被群密度与植被群直径的参数,比较床面糙率与体积分数φ对完整尾流长度的贡献,发现植被群后形成的完整尾流长度L的大小主要与体积分数φ值有关,且φ值越大L值就越小;植被群后的流速分布主要受床面糙率和体积分数φ值影响,而稳定尾流长度L1的形成主要与φ值有关,并且研究表明在φ=6%附近,L1/D出现最大值;植被群后的尾流结构中一般会出现两个紊动动能的波峰,其位置主要受植被群的密度以及床面糙率影响。由于植被群密度的不同,尾流结构中水体的能量的交换和横向剪切层的发展也不相同,这是影响植被群后的流速恢复至正常流速的位置和稳定尾流形成的主要因素。本文成果可为进一步分析不同的床面糙率下水流与植被的相互作用的研究提供参考。     

不同来流条件及沙波形态对沙波湍流场的影响

目前,对沙波问题的研究主要侧重于对沙波形成机理的研究,对于沙波形态、水流条件与沙波湍流场之间的关系,相关的研究成果相对较少。通过建立概化后的沙波模型研究其湍流场的分布结构,分析了来流雷诺数与沙波形态对湍流场的影响。研究表明:回流区的形态、大小和再附着点的位置受雷诺数的影响较大,高雷诺数下的沙波湍流与后台阶流动有一定的相似性;在充分发展的湍流当中,回流区的长度比会随着沙波波陡的增大而减小,但同等条件下,迎、背流面水平距离比值大小不影响回流区长度,仅影响回流区在垂向上的形态以及回流强度。     

不同雷诺数下空腔流的流动特性（研究生论坛）

利用PIV测量空腔中垂面流场,研究雷诺数对空腔流流动特性的影响。时均结构在不同雷诺数下都具有相似的主流区及回流旋涡区。涡量的最大值位于进口角点处,高值区集中在边界层分离区。紊动强度及雷诺应力的高值区位于主流与出口角点的冲撞处,随着雷诺数的增大,参数高值区沿流向的长度不断变大,而进口角区低值区的范围不断缩小。纵、垂向能谱特征参数在相同雷诺数下的空间分布规律基本一致;调整雷诺数将导致回流区的掺混范围及来流自身的紊动特性发生改变,从而影响空腔流能谱的空间分布规律。     

高坝空中挑射水流水力特性及消能机理的研究

本文介绍研究高坝泄洪消能空中挑射水流水力特性及消能机理的重要意义;介绍利用作者研制的挑射水流流速仪,为工程模型试验实测挑射水流沿程流速的情况及成果;并在上述实测成果的基础上进行挑射水流流动规律的分析研究。提出挑射水流空中消能率的计算公式及检验消能效果的其它因素。对挑射水流空中消能机理作了分析研究。     

基于Flow-3D软件的消能池三维水流数值模拟

基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε三维水流数学模型、VOF方法和单相流体模拟消能池水流流动,应用GMRES方法求解离散方程.根据设计提出的闸下三级消能池方案,不仅验证了水闸的泄流能力,还计算了消能工况水流条件下消能池的水流情况,并且结合水工模型试验具体分析了消能池中的水流流态、流速分布、水面线和消能率等水力特性.结果显示计算的泄流能力、水流流态与模型试验的非常接近,流速和水面线的吻合度也很高.计算结果还提供了Fr值、紊动能分布图和流速矢量图,比较全面地反映了三级消能池的水流和消能情况,同时也表明该软件模型具有可行性与实用性.     

關于熱电式流速仪的初步研究

一、前言热电式流速仪是测量水的平均流速以及記录与測量水的脈动流速較好的仪器之一,其主要特点是: 1.将尺寸很小的流速傳送器放在水流中,可以测量几乎是一点的流速,同时,測量仪器对水流的影响很小;     

陡坡沟道强输沙汇口堆积形态演变试验研究

基于系列模拟试验,研究了在强降雨条件下陡坡沟道强输沙过程在河道交汇区形成的堆积体演变特性。结果表明：堆积体的发育过程同沟谷主流位置变化同步,主流变化的次数与雨量呈正相关,与雨强呈负相关。堆积体的长度和厚度与降雨量呈正相关,各纵断面比降变化规律受堆积体附近水流结构（壅水区、回流区及高流速区）的影响,即沿沟口轴向断面的比降最低,左右两侧的断面比降最大。受试验中堆积体为多次发育的影响,沟口纵断面易形成多元堆积体结构;最后,堆积体的特征纵剖面呈锲形,而横剖面多呈现多峰状态。     

坎深和入池角度对跌坎型底流消能工水力特性影响的试验研究

采用水力学试验方法,对跌坎型底流消能工的水流流态、时均动水压力分布以及临底流速进行了分析.并对影响消力池水力特性的跌坎深度和水流入池角度进行了研究.研究表明跌坎型底流消能工能有效改善消力池内的水力学指标,但跌坎深度和水流入池角度对其影响较大.因此,如何确定消力池的跌坎高度和水流入池角度是进行消力池设计的关键.     

山区宽窄相间河道渐扩渐缩局部区域水流运动特性试验研究

河宽渐变是天然河道的普遍形态特征。基于室内概化试验,采用声学多普勒流速仪（ADV）测试分析了宽窄相间河道渐扩渐缩局部区域水流运动特性。试验表明：河宽变化影响着水流运动特征,如渐扩区域时均流速、断面环流中上部流速逐渐减少,而渐缩区域呈现相反的趋势。此外,宽窄相间不同水深区域均出现水流分离区,渐缩区域受壅水影响,流速分布趋于均匀化。     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

受堆积体影响的河道3维水流结构试验研究

通过水槽试验研究了河道在堆积体影响下的三维水流结构,采用ADV测量了堆积影响河段的三维流速,分析表明：断面纵向最大流速从堆积体段逐渐偏向右岸,且逐渐向河床底部移动,往下游又逐渐上升并恢复至天然状态。主流受收缩加速影响,越过堆积体后,呈水跃流态。受堆积体挤压流路和水流惯性的影响,主流流速在靠近堆积体略下游位置出现最大值。横向流速在堆积体段出现了正负值交替,某一水深处的流速为零,在该水深的上层,水流偏向堆积体岸流动,在该水深的下层,水流偏向右岸流动,上下层水流出现了反向流动,同时垂向流速在堆积体段也出现了正负值交替,表明在试验段水流呈类螺旋流流态。受堆积体作用,水流从表层到床面不等宽收缩,在堆积体段水流呈逆时针螺旋流与纵向水跃交互作用,水流呈复杂的三维状态。     

生态丁坝在齐口裂腹鱼产卵场修复中的应用

通过水深平均二维水动力学模型,模拟不同流量下生态丁坝附近水流沿纵向和横向的水深、流速等分布规律,绘制L形及正交情况下生态丁坝其周围流场特征,研究生态丁坝对齐口裂腹鱼产卵场水力生境的影响范围;根据齐口裂腹鱼适宜性曲线,得到一定流量下研究河段的Weighted Usable Area (WUA)值。研究成果表明：长度与稳定河宽之比介于0.25至0.33之间,而坝头与坝长之比介于0.20至0.25范围之内的L形及正交生态丁坝,交错放置于河道中,可以营造出合适的水流流态,使其满足齐口裂腹鱼产卵的水力特性,增加WUA值;修复后的产卵场水力生境与天然产卵场的水力生境相似度高。