宽窄复式河道水流运动特性的试验研究

在分析水槽试验资料的基础上，首次对宽窄复式河道的滩槽过流能力、断面平均流速、垂线流速及横向分布等水流运动特性进行了研究．研究结果表明，宽窄复式河道的主槽流量随着滩槽宽度比的增大而减小，滩地流量随着滩槽宽度比的增大而增大；水流发生漫滩之后，随着水深的增加，主槽流速先减小后增加，滩地流速不断增加，二者的变化幅度与滩槽宽度比有关；在大部分区域内垂线流速偏离对数分布，主槽一般偏小，滩地偏大；垂线平均流速沿横向分布与一般复式河道相似，但滩槽流速差别减小．     

复式断面河槽流速横向分布及其对滩唇形成的影响

通过对水流微小控制体进行受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,该模型考虑了侧向副流惯性力的影响。采用实验资料对该模型进行检验,模型计算值与实测值符合较好。运用该模型计算了不同条件下复式断面流速和挟沙力的横向分布,并定量分析了横向分布特性对滩唇形成的影响。分析表明,水流漫滩时,复式断面的横向挟沙力变幅较大,尤其是在主槽和河漫滩交界处,挟沙力减小迅速,而含沙量减小相对较小,泥沙发生淤积,容易形成滩唇。单从水流挟沙力角度考虑,水流漫滩后水深越小、滩槽的糙率差越大,越容易形成滩唇。     

透空潜坝附近水流特性的数值模拟

透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性,基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽,对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟,研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明:相同水流条件下,随着透空率的增大,坝后回流流速减小,坝后根部紊动强度逐渐增大,而坝后1~4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小,涡量先增大后减小。透空率不变情况下,在相同断面平均流速条件下随着水深增大,透水率逐渐减小,潜坝附近紊动强度整体减小,但紊动范围变化不大,坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大,涡旋回流强度逐渐增大,潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布,强度逐渐增大。     

矩形渠道人工加糙壁面阻力规律试验研究

为研究矩形渠道水流的阻力规律,采用了3种不同粗糙度的人工加糙渠道进行试验。研究结果表明在均匀流条件下,对同一粗糙度明渠,水力条件变化时糙率系数不是恒定不变的,它会随着流量的加大而呈对数减小,随着渠道宽深比的增大而呈对数增大,同时随着雷诺数Re和弗汝德数Fr的增加而呈幂函数减小。同时表明,不同的壁面粗糙度对糙率系数影响很大,进而影响水流的水力特性。即流量相同条件下,当壁面粗糙度增大时,断面水深增大,平均流速减小,雷诺数和弗汝德数均减小。并根据试验资料拟合出了糙率系数和等效粗糙度之间的关系式。     

漫滩水流水沙运动规律的研究

本文根据漫滩水流的运动特点，将漫滩水流的复式断面分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等4个区，并给出了各区宽度的经验公式.根据滩槽交互区垂线流速分布的变化特点，提出了附加尾流函数的对数流速分布公式.在简化水流运动方程和泥沙扩散方程的基础上，对滩槽交互区内垂线平均流速及含沙量沿横向分布进行了理论分析，提出了反映滩槽水流动量交换强度的横向涡量粘性系数及横向扩散系数的表达式，得到了漫滩水流垂线平均流速及含沙量沿横向分布的解析解，并与实测资料吻合较好。     

复式河槽水位流量计算误差分析及方法对比

水位流量关系是推算水面线的重要依据。复式河槽的水流漫滩时,直接运用曼宁公式计算水位流量关系会产生很大的误差,并会出现流量随水深增加而减小的不合理现象,为此分析了复式河槽垂线平均流速的横向分布及曼宁公式中流量-水深函数的单调性,探讨了这种误差及现象出现的原因;然后以实测资料为依据,对比分析了以曼宁公式为基础的水平分割法、垂直分割法、对角线分割法、湿周修正法及权重分割法与传统理论方法(谢汉祥法、河槽协同度法)计算复式河槽水位流量关系的精度,进而讨论了改进后的曼宁公式在复式河槽中的适用性。结果表明,主槽与滩地的流速差使漫滩水流发生横向运动,并在滩槽交界处形成大量的动量交换,其作用机理完全不同于单一河槽,故曼宁公式不能直接应用于复式河槽;复式断面的水力半径增长率与湿周增长率满足一定的条件时,曼宁公式中流量-水深函数单调递减,漫滩初期流量随水深增加而减小;对比不同计算方法的结果发现,湿周修正法精度最低而不推荐使用;水平分割法、垂线分割法、对角线分割法及权重分割法的精度与传统理论方法接近甚至更高,因此这些改进后的曼宁公式能够较好地适用于复式河槽。由于对角线分割法在所有方法中精度最高且计算简便,故计算复式河槽水位流量关系时推荐采用对角线分割法。     

漫滩挟沙水流流速横向分布研究

在建立漫滩挟沙水流掺混区横向涡粘性系数表达式的基础上，根据水深平均的水流运动方程，得到掺混区流速横向分布公式，经验证，该公式与实测资料基本上吻合。     

刚性植被作用下复合明渠水流特性实验研究

为了研究在漫滩上生长有刚性植被的天然河道水流特性,在单侧具有二级漫滩的实验室复合水槽中,在一级和二级漫滩上布设刚性植被,进行了水流实验。根据水深,设置了四种不同方案(方案1-方案4),每种方案下,又根据漫滩上是否布置植被及植被的布置方式,设置三种子方案。利用三维激光多普勒测速仪(3D LDV)和水位计等仪器对水流流速、水位及紊动强度等物理量进行实测,计算了不同方案下的水头损失和水力坡降等,对实测数据进行了比较分析。实验结果表明,与无植被情形相比较,漫滩上布置刚性植被时,会在一定程度上增大植被区水面坡降、水头损失、水力坡降及紊流强度;在植被数相同时,植被交错布置方式比平行布置方式对水力要素的影响较大。     

溢洪道水流的二维有限体积法数值模拟

溢洪道水流是典型的水力学问题,一般是重力驱动的自由面水流。溢洪道水流基本上是在坝顶附近快速变化的水流,在垂直方向上流线明显弯曲。过顶流时同时发生两个现象,即湍流边界层沿剖面的形成并且逐渐增厚,主流流速逐渐增大,主流深度逐渐减小。溢洪道水动力学可以通过物理模拟或数值模拟获得。通过介绍一种数值模型及其在溢洪道顶部断面水流水力特性研究中的应用,针对溢洪道顶部断面流速分布、压力分布和流量特性的模拟来研究溢洪道顶部断面水流的水力特性。结果表明,数值模拟结果与物理模拟结果相吻合,说明数值模拟软件作为一种可用于灵敏度分析的工具,是研究溢洪道等泄水建筑物水流运动规律的有效方法。     

不同加糙方式对明渠水力要素的影响探究

渠道糙率的变化会造成渠道各个水力要素产生相应的改变。通过对梯形渠道进行不同方式的加糙,并用电磁流速仪测量流速,分析在不同加糙方式下流速变化、不同形状的加糙形式对水流流速引起的变化以及糙率和各水力要素之间的关系。分析结果表明：当流量不变、加糙方式一定时,糙率随着设计水深的增大而增大;断面平均流速随着糙体间距的增大而增大;当流量不变、水深一定时,糙体布置间距越小,水流的纵向紊动强度越大;水深和糙体间距不变时,随着流量的增大,水流的纵向紊动强度增大,但变化不明显。     

The characteristics of secondary flows in compound channels with vegetated floodplains

The experiments were conducted in compound channels with vegetated floodplains for investigating the influence of vegetation types on the characteristics of secondary flows. In terms of the streamwise and transverse velocities and the depth-averaged velocity, the secondary flow coefficient, M , is proposed, with good physical meanings, and it may characterize the rotational direction and the intensity of the secondary currents. The experimental results show that, for the cases without vegetation and with grass, the rotational directions of the secondary flows are all anticlockwise while for the cases with shrubs, they are all changed to the clockwise direction in the whole cross-section. However, when trees are planted, the secondary flows rotate in the anticlockwise direction in the main channel and in the clockwise direction on the floodplain. In addition, for all cases, the intensities of the secondary currents on the floodplain are stronger than those in the main channel.     

复式断面明渠流能量及动量校正系数研究

在复式断面明渠流中,能量及动量校正系数对水力学计算结果的精确性有直接影响。为研究水深比（滩地水深与主槽水深之比）及滩地植被密度对复式断面明渠流能量及动量校正系数的影响,采用基于壁面建模的大涡模拟（WMLES）方法的三维数值模型,对5种水深比和3种植被密度工况进行数值模拟研究。结果表明:由于流速分布不均匀,主槽和滩地的能量及动量校正系数有明显差异,其值均大于1。随着水深比的增大,复式断面的流速分布趋向均匀,能量和动量校正系数随之减小,能量校正系数的变化范围为1.07~1.19,动量校正系数的变化范围为1.03~1.07。此外,随着滩地植被密度的增大,滩地与主槽的流速差值变大,能量和动量校正系数随之增大,能量校正系数的变化范围为1.09~1.59,动量校正系数的变化范围为1.04~1.21。最后,通过回归分析发现能量校正系数与动量校正系数存在线性关系,所得计算式可用于相同工况条件下能量及动量校正系数的预测。     

Impact of depth ratio on flow structure and turbulence characteristics of compound open channel flows

Compound open channel flows appear in most natural rivers are of great importance in river management and flood control. In this study, large eddy simulations were carried out to simulate the compound open channel flows with four different depth ratios (h_r = 0.10, 0.25, 0.50, and 0.75). The main flow velocity, secondary flow, Reynolds stress, and bed shear stress were obtained from numerical simulations. The depth-averaged streamwise momentum equation was used to quantify the lateral momentum exchange between the main channel and floodplain. The instantaneous coherent structures were presented by the Q criterion method. The impact of h_r on flow structure and turbulence characteristics was analyzed. The results showed that with the increase of h_r, the high velocity area in the main channel shifted to the floodplain, and the dip phenomenon became more obvious; the Reynolds stress largely contributed to the lateral momentum exchange within the flows near the side walls of floodplain; and the vortex structures were found to significantly increase in the floodplain region.     

HYDRAULICS OF COMPOUND CHANNEL WITH VEGETATED FLOODPLAINS

1. INTRODUCTIONThe Pearl River delta is often subject to typhoons and heavy rainfalls. Big waves generated by typhoons cause scouring, even collapsing and breaching of river embankments. Facts have proved that the effectiveness for wind and ship wave prot…     

复式断面河流洪水的水流特性

本文描述了复式断面河流洪水的水流特性，并用流体力学的基本理论加以论证。在各国学者对复式断面洪水研究成果的基础上，建立了亲的能量耗散的理论模型。     

CES模型计算复式河槽过流能力及方法对比

复式河槽的洪水漫滩后,滩槽水流相互作用,在滩槽交界处形成动量交换,若直接采用曼宁公式进行水力计算将产生很大误差。应用CES(Conveyance Estimation System)模型首先计算了不同复式河槽的垂线平均流速,并结合英国科学工程研究理事会洪水水槽设备(SERC-FCF)的试验资料进行了验证,进而分析了不同形态复式河槽的水流特性;然后通过对比分析CES模型与经验方法(湿周修正法、断面分割法)和理论方法(谢汉祥法、刘沛清法、河槽协同度法)计算流量时的精度,论证了该模型在复式河槽水力计算中的优越性。结果表明,由CES模型计算的断面垂线平均流速分布符合复式河槽的水流特性且与实测资料吻合良好,较之其他模型方法,该模型能适用于任意形态复式河槽的流量计算且精度较高。     

Analysis of One-Dimensional Modelling for Flood Routing in Compound Channels

In this paper a number of hydraulic aspects concerning the flood routing in compound channels are discussed. In particular, attention is firstly focused on the management of boundary conditions for compound channel flow when 1D modelling is used. In this context, the characteristics theory was used to obtain the complete expression of the eigenvalues of the system and the consequences of the simplification associated to the commonly-used approximation were highlighted. The analysis has shown that the number of physical conditions to be imposed at the boundaries is influenced not only by the Boussinesq coefficient but also by its derivative over the water level. The second part of the paper is devoted to the analysis of unsteady flow simulations. Attention was focused on the role played by the lateral momentum transfer, between main channel and floodplains, within the 1D flood propagation model. In particular, the simulations showed that significant differences may occur between the traditional approach and the methods able to take into account the momentum transfer mechanisms.     

有植被的河道水流紊动特性模型试验研究

通过物理模型试验,研究了有植被的河道水流紊动特性.试验结果表明,在复式断面河道滩地种植柔性植被后,滩地糙率增大,水流紊动更为剧烈,河道水流紊动强度峰值由原先的滩槽交界区转移到滩地区.滩地的水流紊动强度沿程递减;滩槽交界区的水流紊动强度沿程不断增大;主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关,滩地植被影响了滩地水流的归槽时间,使主槽水流流速沿程增大.