高浓度固液两相流的运动特性研究

利用固体颗粒运动的动理论，通过改变颗粒浓度可以考察非粘性颗粒在水流中运动的典型微观和宏观运动特性。本文分别对微观的颗粒速度分布函数变化和由此衍生的诸如颗粒平均速度、颗粒脉动速度和单位体积颗粒数垂线分布等宏观变量的变化进了系统比较。研究结果表明：动理论能够比传统理论获得理详细的微观和宏观信息，也更适合研究高浓度固液两相流运动特性，颗粒运动微观和宏观特性在颗粒浓度超过一定阈值后会发生本质的变化，但临界颗粒浓度值（阈值）在不同的计算和实验条件下会有一定的差别。     

剪切紊流中颗粒运动的数学模型和实验研究

本文利用Lagrangian方法建立了剪切紊流中颗粒运动的脉动频谱随机轨迹模型，其中流体脉动速度采用Fourier级数和湍流脉动能谱来确定。数值计算结果与实验结果的对比分析表明，该模型能够很好地描述颗粒在剪切流中的运动。     

流速梯度对悬浮颗粒脉动强度的影响

从简化的颗粒运动方程出发，分析了在剪切流场中颗粒脉动强度和流体脉动强度之间的关系。结果表明，由于纵向时均流速的垂线分布梯度的作用，颗粒在两个方向上的脉动强度均可能超过相应的流体脉动强度。     

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

水平方管内固液两相流运动特性数值模拟

将周力行建立的k-ε-kp两相湍流模型引入固液两相流的研究中，对水平方管内挟沙 水流固液两相的时均特性、脉动特性以及颗粒密度分布进行了数值模拟。将计算结果与k-ε-Ap模型、动理论计算结果以及物理模型试验观测结果进行了比较，发现k-ε-k p模型数值计算和物理模型试验观测结果的一致性较好；和kεAp模型相比，由于考虑了颗粒相的湍动特性在固液两相流中的作用，k-ε-k-p两相湍流模型可以得到颗粒的脉动速度分布；和动理论相比，k-ε-kp模型无法准确地预测固相的垂向脉动速度，需要引入各向异性的两相流模型。     

水—沙两相流的激光多普勒分相测量和试验研究

探讨泥抄颗粒在水流中的悬浮运动机理和水、沙两相之间的相互作用，首先需要分别了解水流和泥沙颗粒的运动特性及相互关系。因此，怎样分相观测水流和泥抄颗粒的运动参数成为泥沙运动基本理论研兜的一十重要问题。本文集中介绍了利用激光多普勒技术分相测量水流和泥沙运动参数的基本原理和方法．以及利用常见的一维激光器(无声光频移)测量水流和颗粒垂向(垂直于水流运动方向)脉动速度的实验方法。使用该技术对水平方管内的水一沙两相流运动进行了试验观测，给出了两相速度、纵向及垂向湍流度，以及泥沙浓度的测量结果。     

非均匀沙卵石推移质输移随机特性研究

使用天然尺度的实验室渠道观测了在恒定流的条件下非均匀卵石床面的推移质运动变化过程，采集到了更高精度、更长时间序列的输沙率变化过程，分析描述了输沙率统计变化对采样时间的依赖性。实测推移质输沙率的脉动现象十分剧烈，且当采样时间越小时，这种脉动现象越剧烈。来流为4300l/s，采样间隔分别为2min、5min与10min情况下，输沙率脉动值较平均值分别大约4.8倍、3.3倍与2.7倍；来流为5500l/s，采样间隔分别为2min、5min与10min情况下，输沙率脉动值较平均值分别大约3.2倍、2.1倍与1.9倍。卵石推移质单宽输沙率的离差系数、无量纲脉动强度以及无量纲极差值均随采样历时与无量纲希尔兹切应力的增大而减小。利用本次试验成果，通过多元线性回归得到的卵石推移质单宽输沙率的离差系数、无量纲脉动强度以及无量纲极差值与采样历时以及无量纲希尔兹切应力的关系式可为工程应用提供参考。     

推移质运动对清水和宾汉体泥浆湍流结构的影响

通过试验研究了清水湍流和泥浆湍流中加入推移质后时均流速分布、脉动强度、概率密度分布、相关系数、频谱密度分布等的变化.试验结果证明,清水和泥浆湍流中加入推移质后时均流速减小,时均流速梯度增大,脉动加强.泥浆过渡区湍流上部为层流,有流核,加入推移质后,上部层流转变为湍流,流核消失.分析证明,这是由于推移质运动增大了雷诺应力和时均流速梯度,因而增大了时均流动向脉动传递的能量的缘故,清水湍流中加入推移质后脉速概率密度分布偏离正态,偏态系数加大.泥浆湍流中加入推移质后相关系数降低,脉动的随机性增大.泥浆湍流的脉动能量集中于低频脉动.由于推移质也可以吸收低频脉动能来支持其运动,所以加入推移质后泥浆湍流的低频脉动能量降低,高频脉动能量增大.     

水流移床力及河道运动力学的初步探讨

本文首次提出了水流移床力和河道运动力学的概念，并建立了水流移床力与流量脉动强度的关系。水流挟沙力是水流挟带泥沙通过河道的能力，而移床力则是水流改造河道的能力。非恒定流输沙使水流具有移床力，因而造成河道运动。研究发现，流量脉动强度愈大，移床力也愈大。不同频率的脉动对移床力有不同的贡献。在缺少河道实测运动资料的情况下，可以利用流量脉动能谱算出修正系数k推算实际水流移床力。由移床力与流量脉动的关系可以推论，水流脉动强度愈大，河道愈不稳定。利用水流移床力公式，可以计算和预测河道运动的速度和距离。     

跌坎下游流场的时均流速分布和脉动特性

本文采用颗粒示踪的方法试验研究了跌坎下游主流重新接触床面流区的时均流速分布，流速的脉动强度及各点脉动流速的概率密度分布。试验结果表明，跌坎下游水流分离，具有稳定的漩涡发展，漩涡产生的频率约为每２秒３次。重新接触点离跌坎的距离约在３￣６倍坎高之间。在主流重新接触床面的流区，紊动剪切应力最大，在量测的流区，脉动流速的概率密度接近正态分布。     

高浓度恒定固液两相流运动机理探析:Ⅰ.理论

高浓度固液两相流与低浓度固液两相流在运动机理上有本质的不同.传统的依靠对低浓度固液两相流中获得的结果进行修正以适应高浓度固液两相流的做法缺乏理论基础.因此，本文基于动理论(kinetic theory)对高浓度固液两相流运动机理进行了探讨，提出了简化应用模式，该理论可以更好地同时适应于低浓度和高浓度情形.     

高深度恒定固液两相流动机理探析：Ⅰ.理论

高浓度固两相流与低浓度固液两相流在运动机理上有本质朱同，传统依靠对低浓度固固液两相流中获得的结果进行修正以适应高深度因液两相流的做法缺乏理论基础。因此，本文基于动理论（ｊｉｎｅｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ）对高浓度３固两相流动动机理进行探讨，提出简化应用模式，该理论可以更好地同时适应于低深度和高浓度情形。     

垂直螺旋管道内单颗粒运动受旋转科氏力影响的试验研究

通过对垂直螺旋管道中单颗粒运动进行试验,采用单颗粒动力学模型对其受旋转科氏力影响的特性进行了分析。结果表明：颗粒在运动过程中主要受到离心力、有效重力、旋转科氏力及阻力的作用。颗粒速度与水流速度之比λ和旋转科氏力与离心力之比ζ存在明显的指数关系。当λ=1时,颗粒所受旋转科氏力为零;当λ>1时,颗粒所受旋转科氏力与离心力的方向相同,均为背离圆心方向;当λ<1时,颗粒所受旋转科氏力与离心力的方向相反。试验中颗粒所受旋转科氏力与离心力在同一数量级的概率为3/4。因此,在小尺度低速度旋转流下研究颗粒受力时,颗粒所受旋转科氏力不应被忽略。     

Numerical simulation of slurry jets using mixture model

Slurry jets in a static uniform environment were simulated with a two-phase mixture model in which flow-particle interactions were considered. A standard k-ε turbulence model was chosen to close the governing equations. The computational results were in agreement with previous laboratory measurements. The characteristics of the two-phase flow field and the influences of hydraulic and geometric parameters on the distribution of the slurry jets were analyzed on the basis of the computational results. The calculated results reveal that if the initial velocity of the slurry jet is high, the jet spreads less in the radial direction. When the slurry jet is less influenced by the ambient fluid (when the Stokes number St is relatively large), the turbulent kinetic energy k and turbulent dissipation rate ε, which are relatively concentrated around the jet axis, decrease more rapidly after the slurry jet passes through the nozzle. For different values of St, the radial distributions of streamwise velocity and particle volume fraction are both self-similar and fit a Gaussian profile after the slurry jet fully develops. The decay rate of the particle velocity is lower than that of water velocity along the jet axis, and the axial distributions of the centerline particle streamwise velocity are self-similar along the jet axis. The pattern of particle dispersion depends on the Stokes number St. When St = 0.39, the particle dispersion along the radial direction is considerable, and the relative velocity is very low due to the low dynamic response time. When St = 3.08, the dispersion of particles along the radial direction is very little, and most of the particles have high relative velocities along the streamwise direction.     

水平轴潮流能水轮机叶片变桨角度研究

利用Flow-3D软件建立了单桩型水平轴潮流能发电机的三维数值模型。采用该模型对不同叶片变桨角度时的水动力过程进行了模拟计算,并根据计算结果从叶轮转速、叶轮动能、叶轮受力、水位和流速变化的角度进行了分析和讨论。数值模拟结果表明：当叶片变桨角度增大时,来流方向的叶轮受力和叶轮动能也都随之增大;变桨角度对于与来流垂直的y和z方向的叶轮受力影响较小;叶片变桨角度越大、水轮机下游附近流速降低的越快,流速就越小,而在水轮机下游较远处,叶片变桨角度越大,尾流场恢复得越快,其流速也越大。     

随机质点瞬时加速度谱的构建方法探讨

基于随机过程理论、应用统计学、随机信号分析理论,通过试验实时量测了5种不同流量条件下,顶冲角度分别为83.87°、54.82°、21.71°、2.24°时,不同断面水深对应的60余组瞬时流速信号,构建了随机质点瞬时流速概率模型,并以此推出了随机质点瞬时加速度谱概率模型及随机波列模拟方法。结果表明:基于赖斯白噪声理论的波动模拟新方法构建随机质点瞬时流速概率模型精准可靠,推求的随机质点瞬时加速度谱真实有效。     

半圆管惯性分离器气固两相流动数值模拟

采用数值方法对半圆管惯性分离器内的两相流动进行了模拟,连续相、颗粒相、颗粒轨迹计算分别采用雷诺应力模型(RSM)、离散相模型(DPM)和随机轨道模型。得到了该类分离器内的速度、压力、湍流强度、湍动能、耗散率等的分布情况．气流速度对颗粒轨迹、分离效率、阻力的影响,颗粒浓度与分离效率的关系,以及最佳颗粒浓度及磨损的大致区域。     

明渠挟沙水流的颗粒相平均速度及速度滑移

基于颗粒相动理学模型所确立的颗粒相基本方程和本构关系，导出了明渠挟沙水流中固液两相平均速度差的表达式，表明相间速度差与两相的垂向脉动强度、脉动切应力、水下重力、剪切升力、颗粒弛豫时间等有关，与两相沿流向脉动强度无关。运用水流速度的窦国仁公式，计算了颗粒相速度的垂线分布，分析了相间速度差的垂线分布特性，结果与试验资料吻合很好。表明相间速度差呈现出水面小、水底大的分布形式；细小颗粒的速度差近似为零，粗重颗粒的速度差明显、在固壁附近存在明显的极大值。     

水平螺旋管道内单颗粒运动中受旋转科氏力的试验研究

通过对水平螺旋管道内单颗粒运动进行试验,采用高速摄影方法拍摄记录管道内颗粒的运动,捕捉颗粒运动轨迹,获得其运动参数,并采用单颗粒动力学模型对其受旋转科氏力特性进行了分析,结果表明:颗粒主要受到离心力和旋转科氏力的作用;无量纲量λ与ζ存在明显的指数关系;颗粒所受旋转科氏力不能忽略样本数约实测总数的3/4。因此,在小尺度低速度旋转流下研究颗粒受力时,颗粒所受的旋转科氏力不应被忽略。