静止浅水环境中二维铅垂掺气射流的试验研究

对静止均匀浅水域中的铅垂掺气射流进行了试验研究。探讨了掺气浓度对水面最大隆起高度的影响；多种工况的研究成果表明水面隆起高度分布具有自相似性。并给出了统一的表达式；当掺气浓度小于30%时，最大隆起高度随着掺气量增加而增大，当大于30%时。其值基本趋于常数，借助于三维测速仪。得到了射流中心剖面的流场，与纯射流的流场对比表明：水气两相流具有减小射流涡量的作用。有趣地发现，在掺气射流中线性存在着正负相间的涡街。     

内混式自吸离心泵射流自吸装置的试验研究

通过安装不同收缩角和不同出口截面积的射流嘴，对5种内混式射流自吸离心泵的自吸性能进行了试验研究，利用压力传感器和真空仪测量了吸水管内和叶轮进口的真空度，分析了自吸离心泵自吸过程中吸水管内和叶轮进口真空度的变化情况，以及射流嘴收缩角和出口截面积对自吸性能的影响。结果发现:射流嘴出口压力取决于叶轮进口的真空度，而吸水管内的真空度曲线则反映了自吸离心泵的自吸过程；射流嘴的收缩角为20°～30°时自吸性能最佳；射流嘴的最佳出口截面积与自吸离心泵的大小有关，随泵的额定流量呈指数关系变化。     

窄缝挑坎倾角对射流扩散减冲效果试验和挑距计算

本文通过试验得到了坝内深孔出口窄缝挑坎倾角变化对射流扩散，下游向床冲刷及冲刷坑起坑点影响的成果，另外，还提出窄缝挑坎射流上，下缘挑距计算式，经验证计算值与试验值基本一致。可用于工程计算。     

围压条件下射流流场的数值模拟研究

本文建立了围压条件下井底射流流场的物理模型，采用标准的k-ε双方程模型，用有限元方法对围压条件下的紊流淹没射流进行了数值计算，并对模型的系数进行了优选。研究发现，在c1=1.60时得到的流场参数和实验结果吻合良好。计算结果表明，在射流出口速度不变时，射流的轴心无因次动压衰减规律、断面内的轴向速度分布规律和径向速度分布规律不随围压的变化而变化，射流的速度分布同样具有自相似性。从而为深井钻井中水力参数优选及高压水射流破岩设计提供了依据。     

静水环境中径向紊动射流数值模拟

为了对径向射流的流速场进行分析研究,进行了静水环境中径向射流的实验。基于PIV测速仪得到了多种工况射流中线流速分布资料。进而分别采用Realizable k-ε模型和RNG k-ε模型对径向射流进行了数值计算,计算结果与实验资料的对比表明,Realizable k-ε模型比较适合径向射流的数值模拟,然后利用Realizable k-ε模型对6种不同工况下静止环境中径向射流进行了数值模拟。数值模拟的结果分析表明,径向射流横截面上流速分布为高斯分布、射流速度半宽沿程增大且与距射流出口的距离成正比以及中线流速沿程衰减与距射流出口的距离成反比,通过引入特征长度的概念,使射流的无量纲中线流速衰减和无量纲速度半宽沿程变化呈现出较强的规律性。     

静水条件下垂直圆管负浮力射流的数值模拟

建立了静水条件下垂直圆管负浮力射流的三维水动力数学模型和物理模型,两者的无量纲垂向速度吻合较好;对静水条件下垂直圆管负浮力射流的水动力特性进行了研究。结果表明：随着射流初始速度的增加,射流初始密度和喷口直径的减小,射流最大上升高度和稳态高度均增加。射流初始速度和射流初始密度对最大上升高度时刻中轴线垂向速度衰减早晚和衰减率的影响不大;随着射流初始密度的增加,稳态高度时刻的射流中轴线上垂向速度衰减较晚,衰减率增加;射流量一定时,随着喷口直径的增加,最大上升高度时刻和稳态高度时刻射流中轴线上垂向流速衰减较早,衰减率减小。分别建立了密度弗劳德数表达的无量纲最大上升高度和稳态高度线性关系式;本研究中射流最大上升高度和稳态高度比值趋近于常数1.52,与密度弗劳德数基本无关。研究结果可以为静水条件下垂直圆管负浮力射流的设计和工程应用提供一定的参考依据。     

自激振荡气蚀射流喷管内水声学理论及其应用

本文阐述了自激振荡气蚀射流动力学的研究内容、现状及发展趋势．利用流体瞬变流和水声学理论分析了自激振荡气蚀射流喷管内的流动规律，建立了喷管内水声学特性的特征方程，并给出了数值解．分析了外界扰动波在喷管内的传播规律，为优化设计喷管结构和实现无源控制射流流场提供了理论依据，并在此基础上，给出了适合钻头的自激振荡气蚀射流喷管的设计模式，计算结果表明在钻头体有限空间内安装自激振荡气蚀射流喷管，管子阶数不宜超过２，喷管出口直径最好在３～７毫米内。     

两种近壁湍流模式对横向紊动射流尾流场的影响

采用RNGk-ε模型，并分别结合标准壁面函数法和两层模型的壁面函数法对横向紊动射流流场结构进行了数值模拟。得到了射流与主气流速度比R等于2和4时对称面内速度的沿程分布，以及对称面内的速度场和压力场。结果表明：射流出口背风侧流动出现了分离，存在尾迹区，R值增加，尾迹区范围也相应增加；标准壁面函数法无法模拟出分离区内较大的压力梯度变化，所计算的流场分离区较大；两种壁面函数法预测的沿程速度分布和实验的数据大体一致，但是在最大速度点的下方，两层模型的壁面函数法与实验结果接近，从而说明两层模型的壁面函数法更适于求解横向紊动射流问题。     

射流冲刷试验及其在黄河潼关河段的应用

为解决黄河潼关河段射流清淤工程有关技术问题，分析其冲沙效果，利用室内水槽进行了静水、动水条件下射流冲刷试验．试验采用容重为0.0215N／cm^3、孔隙率为0．61的粉煤灰．根据水槽试验研究，提出了能较好反映不同粘性床沙的射流冲刷坑尺寸的射流能力指标F0^0.6(d／D)^-0．19，并建立了冲刷坑尺寸与F0^0.6(d／D)^-0.19的关系；同时在潼关河段进行了现场试验，研究了喷嘴距床面的最优高度。提出喷嘴距床面的最优高度在0．7m左右．并初步分析了潼关河段的射流冲刷效果，射流冲刷后，含沙量明显增加；通过5年的清淤实践，平均每年射流清淤可使潼关高程在汛期降低0．15m左右.     

射流冲刷试验研究(之二)

根据室内试验结果 ,建立了一个能够统一表达圆形喷嘴和矩形喷嘴射流强度的公式 ,建立了由射流产生的冲刷坑的几何尺度与射流强度间的关系。对试验中发生的喷嘴临界提升高度从理论上分析了存在的合理性。依据分析建立的喷嘴在临界提升高度和最大提升高度之间的冲刷坑尺度与射流强度、倾角和提升高度间的关系能够较好地描述试验结果。     

岸边并联泄洪洞下游河道冲坑预测

挑流水舌对下游河道的冲刷关系到工程安全。根据动量方程推导了射流在下游水垫中的扩散规律,分析了下游水垫流速对射流扩散的影响,提出了动水垫下射流的临底流速计算方法。研究结果表明:动水流速增加了射流在水中的扩散距离,促进了射流扩散及射流流速衰减,降低了射流临底流速。将研究结果应用于白鹤滩岸边泄洪洞下游河道的冲坑深度预测。模型试验结果表明:在鼻坎水流参数相同的情况下,河道中水流为动水时的冲坑深度较静水时冲坑深度减小约10%,且位于河道下游侧的挑流水舌形成的冲坑深度小于上游侧挑流水舌形成的冲坑深度。与常规预测公式相比,该方法能准确预测不同位置挑流水舌的冲坑深度,研究结果可为泄洪设施下游河道消能防冲设计提供依据。     

弱环境流速水域内陆核电厂液态流出物排放设计优化研究

理论和实践经验均表明,内陆核电厂采用多孔扩散器有利于加快近排放口区域液态流出物的掺混稀释。基于美国环保署推荐的近区模拟工具——CORMIX专家系统,对低环境流速水文条件下的内陆核电厂的多孔扩散器开展了研究。分析表明:对于近岸布置的多孔扩散器,在低环境流速、相对较强射流以及水深较深条件下,(1)扩散器主管长度Ln与排放口下游断面的最小相对稀释比例H呈正相关,喷口直径D与H呈负相关,喷口水深HD与H呈正相关;在排热量相同的情况下,流量Q与H呈正相关。(2)对于排放口下游1 000 m断面处的最小相对稀释比例H1 000 m,各几何参数灵敏度由高到低排序为,喷口直径D、喷口数量n、主管长度Ln。研究结论可供内陆核电厂液态流出物排放工程的设计及优化参考。     

Laboratory model study of the effect of aeration on axial velocity attenuation of turbulent jet flows in plunge pool

In the laboratory model experiment, the velocities of the jet flow along the axis are measured, using the CQY-Z8a velocity-meter. The velocity attenuations of the jet flow along the axis under different conditions are studied. The effects of the aeration concentration, the initial jet velocity at the entry and the thickness of the jet flow on the velocity attenuation of the jet flow are analyzed. It is seen that the velocity attenuation of the jet flow along the axis sees a regular variation. It is demonstrated by the test results that under the experimental conditions, the velocity along the axis decreases linearly. The higher the air concentration is, the faster the velocity will be decayed. The absolute value of the slope K increases with the rise of the air concentration. The relationship can be defined as K = AC_a +K_b. The coefficient A is 0.03 under the experimental conditions. With the low air concentration of the jet flow, the thinner the jet flow is, the faster the velocity will be decayed. With the increase of the air concentration, the influence of the thickness of the jet flow on the velocity attenuation is reduced. When the air concentration is increased to a certain value, the thickness of the jet flow may not have any influence on the velocity attenuation. The initial jet velocity itself at the entry has no influence on the variation of the velocity attenuation as the curves of the velocity attenuation at different velocities at the entry are practically parallel, even coinciding one with another. Therefore, improving the air concentration of the jet flow and dispersing the jet flow in the plunge pool could reduce the influence of the jet flow on the scour.     

含植物明渠紊流流速分布无量纲化方法及流动分区

基于流速分布曲线的几何特点,提出一种新的无量纲化方法,结合水槽实验数据的回归分析,对含植物明渠紊流流速分布律及流动分区进行了研究。基于流速梯度变化率的特点,确定两个特征高度,采用特征高度、特征高度位置处的流速、水深、最大流速4个变量定义了新的无量纲流速和高度,对实验得到的流速数据进行无量纲化处理,进一步拟合得到流速分布律。结果表明,提出的无量纲流速在自由水面附近呈对数分布,对数分布律区域以下到床面的区域可用4段函数表示。根据分布律适用的区域明确流动分区边界,发现边界高度与特征高度并不重合,但和混合层的上下边界近似相等。与其他研究的对比表明,提出的无量纲化方法和流速分段函数分布律以及流动分区对速度描述有效,具有较好的适用性。     

双射流流动结构实验研究

应用PIV实验方法对由直射流和同心的环状旋转射流组成的双射流流场进行了测量，并分析研究了流场的速度和旋度变化规律。分析表明，双射流等速核长度较小，仪约为5倍喷距；随喷距的增加其多股射流特性逐渐减弱，其主要原因为直射流和旋转射流在交界面上很强的剪切作用；旋转射流的径向发展因受直射流吸附作用的影响而减小，相应直射流速度在喷嘴轴线上的衰减则增加。在4-6倍喷距间的旋转射流速度突然下降和相应位置处旋度场的涡环都显示该处可能存在较强的空化现象，而大大提升双射流的能力。     

淹没柔性植物对明渠推移质运动影响的实验研究

由于水流中植物的存在,使推移质泥沙运动规律变得更为复杂,目前,含植物水流中推移质泥沙运动的研究成果较少。实验研究了含淹没柔性植物水流中,不同植物密度及水深对时均流速、脉动强度、泥沙起动流速以及推移质输沙率的影响。结果表明,在植物顶部以下,有植物时的时均流速明显小于无植物时的流速,而脉动强度大于无植物时的脉动强度;当水深相同时,随着植物密度的增大,泥沙起动流速呈逐渐减小的趋势,并与植物密度呈较好的三次方多项式相关关系;植物密度对推移质输沙率的影响并非呈单一变化规律,随着植物密度的增大,推移质输沙率呈先增大然后逐渐减小的趋势,当植物密度相同时,水深越小,泥沙起动流速越小,推移质输沙率越大。     

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。     

水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度模型试验

为探索水力插板透水丁坝减小坝头冲刷坑深度的最佳设计参数和布置方案,通过改变流量、丁坝挑角、丁坝透水率、丁坝长度进行单因素影响试验,得出坝头冲刷坑深度与各单因素的回归方程。从每组单因素试验结果中选择最佳试验水平,利用L9(34)正交试验设计表设计4因素3水平的正交试验。试验结果表明:4个单因素对水力插板透水丁坝坝头冲刷坑深度的影响从大到小依次为:丁坝透水率、流量、丁坝长度、丁坝挑角;在一定流量条件下,水力插板透水丁坝最佳布置方案的设计参数为丁坝透水率30%、丁坝长度30 cm、丁坝挑角60°。     

垂直射流冲刷砂床的喷嘴间距试验研究

疏浚工程中常利用射流进行河道清淤和冲砂施工。为探究喷嘴间距对射流冲刷的影响,开展了一系列不同靶距、速度和间距的双喷嘴冲刷粗砂、中砂砂床试验,分析了冲刷坑形、冲坑深度和冲坑截面积的变化特性,得到了各工况下的最优喷嘴间距L_B和不利喷嘴间距L_N。结果表明,对于同一粒径砂床,改变靶距和速度冲刷时的L_B和L_N值变化较小,而与粗砂砂床相比,冲刷中砂砂床时的L_B和L_N值均有所增加。研究成果可供疏浚工程中射流系统设计作为参考。     

Air flow inside a vertical pipe induced by a free-falling water jet

The air flow induced by a water jet freely falling inside a vertical pipe with its top and bottom both open to the atmosphere was investigated experimentally and numerically. In the experiments, the radial air velocity distribution and the air pressure variation along the vertical pipe were measured. The air drag of the falling water jet was related to the jet surface disturbance and analyzed by introducing the equivalent friction factor. A predictive model was developed for the air flow inside a 3-m-high pipe based on the momentum equation and its results compared well with the experimental measurements. Numerical simulations were also conducted by approximating the free-falling water jet as a continuous moving solid with diameter and velocity varying in the direction of motion. The effects of pipe size on the air velocity profile and the induced air flow rate were examined. The simulation results showed that the streamwise air velocity profiles inside pipes of different sizes approached the same after a certain traveling distance. The maximum induced air flow rate was found at the pipe diameter of about 20 times of initial water jet diameter.