明渠自掺气水流掺气浓度分布研究

本文利用明渠水流垂向脉动流速正态分布假设，从水滴自由跃移及撞击分析出发导出跃移区水团浓度分布函数。同时，利用悬移区气泡扩散理论，修正界面外的应力关系，推求出悬区气泡浓度分布函。分布函数在界面处具有一阶连续导数，并由此可以求出界面浓度Ｃｒ。经与实验资料率定，给出了各参数的经验关系，并与室内试验实测浓度分布吻合良好。     

挟沙水流中悬浮颗粒的漂移—扩散方程

本文基于固液两相流动双流体模型的基本方程推导得到了挟沙水流中悬浮颗粒的漂移-扩散方程，该方程表明，除重力外，作用在颗粒上的升力、虚拟质量力、Basset力等，以及颗粒间相互作用都会影响颗粒浓度分布，对明渠中悬浮颗粒浓度垂线分布分析结果表明，在床面附近有较大值的升力是使得悬浮颗粒浓度在趋近床面时增大趋势趋缓，甚至趋向于零的重要因素，本文公式与明渠实测悬浮颗粒浓度垂线分布的对比也证实了这一点。     

近床面区挟沙气流流速垂线分布特征

以测试参数较为齐全的挟沙气流风洞实验资料为基础，结合已有各家资料重点对近床面区挟沙气流流速垂线分布进行了系统的分析。在对近床面区沙粒跃移层内气流剪切应力分布的理论分析基础上，指出了该区的剪切应力由沙粒临界起动风速、沙粒垂直速度的垂线变化和输沙量垂线分布三者决定，并进一步导出了近床面区的挟沙气流流速垂线分布廓线方程，由该方程计算得到的结果与实测资料吻合很好，此外，研究还表明，Bagnold提出的不同风力条件下挟沙气流流速廓线聚焦于一点的观点基于正确，但这一点不宜作为跃移层内外风速廓线的分界点，实际失发界点高度是沙粒跃移层外气流摩阻速度平方的0．015倍；Owen提出的跃移层外层速廓线方程基本合理，但其中有效粗糙度公式中的系数C取值为0．04时更符合实测资料；来流速度相同的情况下，挟沙气流的摩阻速度大于清洁气流的摩阻速度。     

用高速摄影法研究近床区域的泥沙跃移运动

本文应用高速摄影法来拍摄记录明渠粗糙定床近床区域泥沙颗粒的运动,获得了近床区域内单颗粒泥沙在粗糙定床上跳跃高度的变化规律及其随机分布规律;同时。还获得了颗粒单步跃长的随机分布规律.应用上述成果,推出了推移质浓度垂线分布关系.     

风沙流中颗粒运动参数的分布特征

以风洞内颗粒高速摄影实验资料为基础，对颗粒跃移运动参数的分布及其跃移速度分布函数进行了探讨。研究结果表明，颗粒跃移的相对高度和相对长度的分布都不呈正态分布；降落角大致成正态分布，而起跃角则为非正态分布；颗粒起跃时水平速度，垂直速度和合速度的分布都呈非正态分布；随着跃移高度的增加，颗粒的平均粒径减小。速度分布函数是描述颗粒跃移统计特征的有效工具，具有修正指数形式或修正正态分布形式的概率密度分布函数都能较好地描述跃移颗粒的速度分布状况。     

推移质颗粒跃移运动的随机特性

推移质颗粒跃移特性具有两重性,既有确定性的一面,也有随机性的一面.作者为了研究推移质跃移机理,曾应用高速摄影技术,系统地测量了推移质颗粒的跃移过程.本文重点分析了跃移运动的随机性,利用统计分析的方法对跃移颗粒的跃长、跃高、跃移速度,起跃和落地速度等运动参数进行了分析,结果表明:跃高和跃长的概率密度服从分布,跃移速度、起跃和落地速度的概率密度服从正态分布,试验资料与运动参数的理论分布取得了较好的一致性,文中对跃移各运动参数的数值特性也进行了分析.这方面的研究对于泥沙运动机理的深入了解及工程实际有着重要的意义.     

基于有限掺混长度概念的悬沙浓度垂线分布研究

从掺混长度理论的基本假定人手,分析菲克定律解释紊动扩散现象的局限性,根据有限掺混长度概念,对明渠流中悬沙浓度垂线分布进行研究:由垂向紊动强度确定掺混速度,分析水体和泥沙作为不同研究对象时掺混长度的差异,定义水体掺混长度和泥沙掺混长度概念,依据卡门紊流相似假说和水流剪切应力分布特征,确定泥沙掺混长度的垂线分布,考虑浓度对泥沙沉降速度的抑制作用,建立明渠流中悬沙浓度垂线分布模型,并进一步分析浓度和颗粒大小对泥沙掺混长度的影响.计算值和测量值的比较表明,该浓度分布模型能够较好地反映明渠流中悬沙浓度垂线分布特征.     

床面推移质颗粒跃移过程的水槽试验研究

推移质泥沙颗粒的跃移是河流泥沙运动的重要形式.为了研究推移质颗粒跃移运动参数的变化规律,在水槽试验中采用高速摄像技术,观测7种工况条件下,0.3～1.7 mm粒径的推移质颗粒的跃移运动形态,提取颗粒跃移运动的时空信息,分析了泥沙颗粒跃移距离和跃移高度的变化规律.结果 表明,相对跃移高度和相对跃移距离的概率密度分布函数均...     

水流中跃移颗粒的受力分析

水流中跃移颗粒的受力分析及其运动机理的研究对于推移质运动理论有着重要的意义。作者利用高速摄影技术,测量了不同容重和粒径的颗粒在不同水流条件下的运动轨迹。并由颗粒的运动方程,系统地分析了跃移颗粒的受力情况,得到了阻力系数和升力系数沿程的变化规律。在比较了各力的大小后,表明阻力最重要,其次是升力和附加质量力,计算了床面碰撞力的数量级,进而描述了跃移颗粒的运动机理。利用数值的计算方法,采用受力分析的结果,计算了不同水沙条件下的跃移运动轨迹,同实测资料取得了较好的一致。     

关于悬移质含沙量沿垂线分布的几个问题

本文从悬移质扩散方程出发,根据粘性流体的非滑移条件,考虑了泥沙颗粒周围有部分流体随泥沙一起运动的特点,得到了一个新的平衡情况下恒定均匀二维明渠流的悬移质运动的基本方程,即其中m。等于泥沙体积和随泥沙颗粒一起运动的水体体积之和与相应体积内的泥沙体积之比.它与泥沙颗粒的大小,形状及含沙量有关.根据上述方程得到的含沙量沿垂线的分布公式,不仅较好地克服了Rouse公式中存在的水面含沙量为零、床面含沙量为无穷大的两大缺陷,而且其结果与实测资料较为符合,特别是近底含沙分布与实际情况十分吻合.     

伴有滑动床的粗颗粒石膏矿石浆体流动速度分布初探

随着浆体管道输送工程的应用和发展,输送颗粒的粒径越来越大,伴有滑动床流动的粗颗粒浆体的输送工程越来越多。基于滑动床以上的悬浮层内的剪切应力呈线性分布的假设,提出了最大流速点(即剪应力最小点)位置的计算公式。在最大流速点至管道内任意点方向应用流速亏损定律,给出了悬浮层内任意点速度分布的计算模型。通过石膏矿石浆体管道输送试验,给出了若干组浓度分布、速度分布实验数据。通过若干组数据的回归分析,给出了最大速度值的计算公式及卡门常数值。利用试验数据,对最大速度点位置计算公式和滑动床上速度分布的计算模型进行了检验,其计算值和实测值的最大偏差分别为3.8%和14.3%。     

固体颗粒的群体沉降速度分析

从流体力学原理出发，数值模拟非均匀沙随机分布对流场的影响，推导出固体颗粒群体沉速的理论解。该公式不仅量纲和谐，浓度变化不超过极限浓度值，能反映含沙量与非均匀沙级配变化对群体沉速的影响，而且可避免其它公式量纲不和谐，计算中出现负值或降得过快的缺点。采用黄河实测资料对该公式进行了验证，计算结果与实测资料基本符合。     

垂直管固体物料水力输送浓度的研究

在前人实验研究的基础上,通过实验与理论分析,研究了垂直管水力提升中的固体颗粒浓度特征。在分析颗粒受力及颗粒运动规律的基础上,利用扩散方程推导了垂直管水力提升颗粒浓度分布的计算公式,并通过实验进行了初步验证。另外,通过实验分析了颗粒群体滑移速度与提升速度的关系,纠正了颗粒群的滑移速度为颗粒群的沉速,输送浓度一定小于当地浓度的认识,认为输送浓度、当地浓度与提升速度有关。     

CONCENTRATION DISTRIBUTION OF SEDIMENT IN BED LOAD LAYER

In this paper the concentration profile in bed load layer is derived based on kinetic theory. According to observations, particles moving in near wall region behave differently during ejection and sweeping of turbulence burst, as indicates that they are subject to different influences from turbulence, and therefore, the forces acting on particles are not the same. Consequently, particles moving in bed load layer are classified into two groups, one lifted upward by ejections, the other carried back to bed by sweepings, and the forces corresponding to upward and downward motions are proposed. By solving the basic transport equation of kinetic theory, the velocity distribution functions, upward and downward fluxes of particles in bed load layer are derived. Upon assumption of equilibrium sediment transport, concentration profile in bed load layer is obtained. Verification is also presented in this paper, which shows that the concentration profile produced by the relation proposed in this paper agrees with observations well.     

长江中游干流悬沙垂线分布研究

为探明长江中游河段悬沙垂向分布规律,在总结分析相关研究成果的基础上,进一步用实测资料对Rouse公式、张小峰公式、E M Laursen公式、莱恩-卡林斯基公式进行了对比研究及合理性分析,选择适用于长江中游各段悬沙垂向分布计算的合理公式。结果表明:当泥沙颗粒较细且含沙量较小(S0.1 kg/m~3)时,Rouse公式、张小峰公式、E M Laursen公式、莱恩-卡林斯基公式的计算结果与实测资料都比较吻合;在含沙量较小、紊动较大的中泓处,张小峰公式和E M Laursen公式的计算精度高;在长江中游河段近两岸处,莱恩-卡林斯基公式的计算精度较高。     

倾斜岸河库水面污染源下浓度分布的理论分析

从保守物质横向和垂向扩散系数不相等的静止水体中瞬时线源二维扩散的解析解人手,分析推导出半无限水面瞬时污染源下二维扩散的浓度计算公式。在顺直倾斜岸坡大宽度深水情况下,借助于横向和垂向扩散系数不相等的角形域映射原理,进而推导出倾斜岸水面瞬时污染源下角形域中二维扩散浓度分布的理论公式。在简化条件下该理论公式与可对比理论解完全一致。结果分析与讨论表明:角形域倾角对污染物的浓度分布影响较大;角形域内浓度分布具有倾角参数n(180/)为奇数和偶数不同的双重特性;计算点距离岸坡顶点越近倾斜岸坡对浓度分布的影响越大;横坐标越大影响越小;水深越大影响也越小。该理论公式可为河库水质监测布点与数据的归纳分析、水质模型的验证和污染混合区浓度估算提供有力的工具。     

RESEARCH ON THE MIXING LAYER OF FIBER SUSPENSIONS AND DIRECT SIMULATION ON THE MOTION OF CYLINDRICAL PARTICLES

The mixing layer of fiber suspensions was simulated numerically with the spectral method and the fibers in the flow were traced individually with calculation. The corresponding experiments were made. The results show that the Stokes number of particles is the key parameter to determine the spatial distribution of fibers and the coherent structures control the orientation of fibers. Direct simulations of the motion of cylindrical particles were carried out via lattice Boltzmann method. It is found that the aspect ratio of particles has significant effects on the translation and rotation of the cylindrical particles. A new lattice Boltzmann method which is convenient to deal with the curved boundary is proposed.     

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF ENTRAINED AND TRANSPORTED CHARACTERISTICS OF SUBMERGED JET

This paper presents entrainment mechanism, and transported and diffusion characteristics at the point of entry of submerged jet. The profiles of both velocity and concentration within the air water mixing layer were theoretically deduced. And the comparisons between theoretical values and measured data were made. Results show that the velocity profile within the air water mixing layer exhibits a form of error function. The concentrations of air entrainment in the internal and external regions of ai~water mixing layer correspond to Gaussian distribution.     

基于Rouse公式的紊流区悬沙粒径级配垂线分布规律

基于Rouse公式及紊流泥沙沉速公式,分别推导得到了紊流时的悬沙粒径及级配垂线分布公式,前者直接量化了泥沙“上细下粗”的垂线分布规律,后者则可用于计算不同水层及垂线上总的悬沙粒径级配。通过实例,应用粒径级配计算公式得到了不同水层的悬沙粒径级配。结果表明:泥沙粒径“上细下粗”的分布规律明显;在越远离床面的水层,细颗粒所占的比重越大,粒径分布越均匀。当考虑悬浮高度影响时,以最大粒径悬沙的最大悬浮高度为界,该高度之下级配“等宽”,该高度之上级配“上窄下宽”。     

农田地表径流中溶质流失规律研究

本文根据地表径流中溶质流失的流动特征和物理规律,基于矢量合成概念,建立了二层解析模型,描述从降雨开始径流使水溶质在地表的流失过程.该模型考虑了土壤中溶质的入渗和扩散作用,通过非完全混合参数得到表面流失和入渗的合成.在溶质质量守恒和水量平衡的基础上,将土壤混合层和积水径流混合层作为研究对象,得到解析解.根据前人的实验结果,利用本文所提出的模型,分析了无积水和有积水时地表径流水中的溶质浓度,模拟结果基本能够反映径流溶质浓度变化特征,为农业面源污染的分析提供有意义的参考.