近壁紊流随机理论及其应用

本文概述了作者近年来在研究近壁紊流方面取得的成果。基于紊流具有多层次的涡旋结构,提出了近壁紊流的随机理论;通过对糙率尾部水流分离的研究,阐明了出现光滑区、过渡区和粗糙区的原因;通过统计分析,明确了处于从层流向紊流过渡状态下的紊动出现机率;基于对粘弹性流体方程式的分析,导出了含高分子聚合物紊流的减阻参教。应用上述理论,全面阐述了明渠流、管道流、边界层流和减阻流的时均结构、脉动结构和阻力规律,并得到了与现有试验资料一致的结果。     

过渡状态下明渠水流紊动规律的实验研究

本文采用激光流速仪实验研究了处于过渡状态下的明渠水流的脉动规律。实验结果表明,过渡状态下的明渠水流在空间上和时间上都具有明显的随机性的脉动规律。本试验统计了不同绕流雷诺数下的层流和紊流的发生率。所有实验结果证实了窦国仁最近关于明渠中层流和紊流的总规律的理论研究。     

层流向紊流过渡状态下粘弹性流体的紊流结构

本文应用激光流速仪,对清水水流及含高分子聚合物的流体(粘弹性流体)处于层流、层流向紊流过渡及紊流状态下的紊流结构进行了系统的试验研究。结合紊动随机模型,分析了两种流体处于层流向紊流过渡状态下的紊流结构,导得了计算脉动强度的统一公式,并利用试验成果,对运用随机理论得到的各紊动参数的表达式又一次进行了验证。     

学术讨论

该文在水槽中进行了紊流的近壁绕流结构试验和层流向紊流过渡的试验,填补了过渡状态下明渠水流的实验研究的空白。但文中也还存在一些值得商榷的地方,现提出来讨论如下。 (一)层流和紊流的划分标准 层流是一种稳定的水流状态,任何一点在x,y,z方向的流速分别为它们并不因时间而改变,其脉动量均为零。而紊流则是极为复杂紊乱的脉动流态,水流流速随时间变化,其脉动量中至少有一个不为零,有时甚至能达到相当大的数值。严格说来,所有的水流运动均为紊流,只是其脉动强度有大小差异,而在其非常微弱时,可以近似地把这种水流状态当作层流处理。该文中的紊流发生率实测值实际上是水流脉动强     

明渠近壁区水流的紊动特性分析

根据ADV采集的试验水槽中的三维流速,运用紊流统计理论,从流速概率分布、紊动强度、雷诺应力和紊动动能概率分布方面,对明渠近壁区水流的紊动特性进行了分析。可得:在近壁区,横向、纵向分流速及合成瞬时流速的概率分布与正态分布相似,而垂向上则偏差较大;横向的紊动强度和雷诺应力的分布形式与纵向相似,值略小,垂向趋于一个常数;利用试验数据统计得到的紊动动能概率分布与同性均匀湍流条件下理论推导的概率分布进行了对比,说明三维流场结构下,紊动动能的概率分布更符合卡方分布。进一步根据紊流的三维紊动特性,指出应该根据水流涡团运动在方向和大小上的瞬变性,从三维方向上考虑泥沙起动时的受力。     

植被群落之间水流紊动强度垂向分布规律探讨

以生态特征参数不同的植被群落为研究对象,在室内水槽中种植灌木、芦苇和灌木-草本植被混合群落,利用多普勒流速仪沿程测量各测点瞬时流速,基于河流动力学和紊流力学理论,将水流紊动强度表达为植被直径、水流绕流阻力因数、植被直径梯度和水流绕流阻力因数梯度的函数,比较不同类型植被群落之间水流紊动强度垂向分布规律的差异。结果表明,灌木完全淹没时,紊动强度在垂向上最大值位于灌木冠层顶端区域,极小值位于茎杆向冠层过渡区域。植被群落水流紊动强度垂向分布曲线上存在三个拐点,即茎杆向冠层过渡处、植被偏转点和植被冠层顶端。     

动床k—ε紊流模型研究

紊流ｋ－ε模型是近２０年发展起来的，并较适于模拟紊流运动的数学模型之一，它的特点是，用紊动动能ｋ和紊动能量耗散率ε来表征紊流的局部状态并封闭雷诺方程式。本文在紊流ｋ－ε模型和窦国仁悬沙冲淤模式的基础上，提出二维动床紊流ｋ－ε模型。并据此计算在明渠水流中设置方墩以后的河床冲淤变化。计算结果表明，该模型所预报的水流流态和河床冲淤部位与实际情况基本一致，且特别适用于有回流分离区的局部河段的河床变形的计算     

动床k-ε紊流模型研究

紊流k-ε模型是近20年发展起来的、并较适于模拟紊流运动的数学模型之一,它的特点是,用紊动动能k和紊动能量耗散率ε来表征紊流的局部状态并封闭雷诺方程式。本文在紊流k-ε模型和窦国仁悬沙冲淤模式的基础上,提出二维动床紊流k-ε模型。并据此计算在明渠水流中设置方墩以后的河床冲淤变化。计算结果表明,该模型所预报的水流流态和河床冲淤部位与实际情况基本一致,且特别适用于有回流分离区的局部河段的河床变形的计算。     

导流板对桥墩周围紊动特性的影响

水流通过桥墩在桥墩区域形成复杂的三维流场,会对桥墩底部冲刷和桥区通航产生很大的影响,所以控制桥墩紊流区水流形态十分重要。采用RNGκ-ε紊流模型对桥墩绕流进行三维数值模拟,在墩尾设置不同长度导流板,计算分析墩周围的水流紊动强度值。设置导流板后,墩周围X/D=0~5.3断面的水流最大紊动强度值明显减小,而墩后的紊动强度普遍有减小趋势,且长度不同的导流板对同一墩型的绕流控制作用不同。合适长度的导流板能束窄紊动强度变化值σ0.1的范围,即能减小紊流宽度。     

压力梯度区空化特性试验研究

选择二元反弧明流，对压力梯度变幅大、水流结构复杂的反弧段及其下游的水流进行了空化研究。结果表明，随紊流边界层的发展，下切点和水平段连结处，局部绕流速度增大，压力大幅降落，水流紊动加剧，边界层中心附近紊流强度和切应力均达最大，空化数最小，因而，是空化易发部位     

浑水水力分离装置中水沙两相湍流的数值模拟

文章采用RNG(重整化群)k-ε双方程紊流模型和简化的多相流Mixture(混合)模型,对浑水水力分离装置内水沙两相湍流场进行了数值模拟,得到浑水水力分离装置的柱体区、悬板区以及锥体区内含沙水流的平面速度矢量分布、含沙水流的紊动强度分布以及泥沙体积浓度分布。通过装置内清、浑水流场的计算结果,分析了泥沙的存在对装置内水流平均流速和紊动强度的影响,以及不同区域内影响水沙分离的主要作用力。研究结果表明泥沙的存在不会削弱水流的平均运动,但泥沙可有效地抑制水流的紊动扩散作用,有利于悬浮泥沙的沉降,装置内不同部位影响水沙分离的主要作用力不同,在锥体区和悬板区水沙分离主要依靠离心力,而在柱体主要依靠重力沉降。     

横向环流对明渠水流悬浮能力的影响

直进水流的悬浮能力研究水流中固体颗粒的悬浮和紊流结构之间的联系,可以确定下述两条基本原理: 1)紊流中悬移质的饱和度和水流的紊动程度成正比、而和泥沙的沉降速度(水力粗度)成反比。紊动程度用紊流的混搅系数E公分~2/秒来表示; 2)水流的悬浮能力和其底部的剪应力成正比。所谓近底层含沙量的数值则随悬浮能力而定。后一原理是由下述平面紊流基本方程式推演出来的:     

淹没堆积体附近水流特性研究

堆积体的存在对其附近水流结构产生明显影响，在通过水槽试验数据验证数值模拟结果良好的基础上，开展淹没堆积体附近流场数值模拟研究。结果表明：堆积体在处于淹没状态时，对堆积体顶部以下的水流仍然起到有效调节作用。在近床面流层，高紊动区是主流扩散所导致的，随着流层上升，高紊动区的分布范围和强度主要受到回流区的控制。涡量较大的区域产生于堆积体表面流场、回流区与主流区的交界范围内，由于这两个区域的涡量较大，因此可能更有利于堆积体颗粒的起动及泥沙输移。     

溢流坝反弧段水流的紊动特性

本文利用一维和二维激光测速系统,对光滑溢流坝面反弧段水流进行了精细的量测.对反弧段边界层的各种紊动特性进行了分析研究.给出了沿反弧段坝面x方向(流向)和y方向(法向)紊流强度和的分布,以及反弧水流边界层紊动切应力的分布规律.可以看出,反弧段水流紊动特性具有明显的特点,与陡坡上的水流不同,边界层内紊动及掺混明显加剧,尤以边界层中部增加最为突出.边界层以外的外流区仍存在着一定的紊动及掺混,且沿程在不断地发展.本文通过对紊动比尺及功率谱的研究发现,反弧段涡旋比尺大大增加,大尺度涡旋的形成对反弧段水流的紊动结构有较大的影响.     

明渠流淹没丁坝周围流场特性的实验

为了研究淹没丁坝对水流的影响,对单丁坝周围水流结构进行了定床实验研究,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV),获得了丁坝周围水流的流速信息,从多方面对水流结构进行分析,在此基础上分析了淹没丁坝的绕流机理。结果表明,淹没丁坝周围的水流结构具有强三维非恒定特性,在瞬时流场下,丁坝后的尾流紊动强烈,丁坝坝头和坝顶是涡旋的发源地,在坝后流速梯度较大的区域,紊动强度值和平均涡量值均偏大。     

泥沙对挟沙水流流动结构影响的研究

应用MicroADV研究了不同粒径的泥沙颗粒在不同水力条件下对水流流动结构的影响。实验发现：挟沙水流流动结构的变化不仅与颗粒的大小密切相关，而且与水流流动条件有关，颗粒对水流结构的影响随着水力条件的变化而改变：在强水流条件下，不论粗、中、细泥沙都不改变主流区的流速分布及紊动强度；在中等强度水流条件下，粗、中、细三种颗粒的加入都使流速大于相同条件的清水水流，而其紊动强度则较清水水流低；在弱水流条件下，三种颗粒的加入都不改变水流的流速分布，但粗颗粒使水流紊动强度显著增大，而中、细颗粒基本不改变其紊动强度。     

泄水闸堰前冲刷机理及减淤措施研究

低水头航电枢纽堰前泥沙淤积将导致检修闸门无法正常启闭,影响到泄水闸的检修、维护工作。针对此问题,建立了用于研究闸前三元流的泄水闸物理模型及数学模型,运用动床物理模型试验和三维数学模型计算研究了闸前的三维流场及紊动能分布,并观测了闸门不同调度方式下的堰前冲沙效果。结果表明: 泄水闸堰前泥沙启动不仅与闸底水流流速有关,也与闸前的水流流态及紊动强度有关,紊动能的增强对泥沙启动的影响作用明显;闸门隔孔开启时水流受挡水闸阻水作用,在闸前近壁区水流下潜形成漩涡,闸前呈现复杂的三元流流态;复流态下的紊动能显著增加,强烈的紊动造成闸前床面泥沙大量启动,比连续开启泄水闸更有利于泥沙的起动,达到较好冲刷效果。     

天然河道水流紊动特性分析

本文采用超声多普勒三向流速仪对不同流量级的条件下长江干流黄陵庙水文观测断面不同垂线的脉动流速进行了观测。根据现场观测资料，对水流的紊动周期、频率、概率密度函数等进行了定量的数学描述，并对时均流速、紊动强度、雷诺应力等沿垂线的分布规律进行了分析计算。结果表明，脉动流速的概率分布在充分发展的自由紊流区近似为正态分布，在近壁强剪切紊流区为偏态分布；各垂线紊动强度在相对水深大于0．4的范围内比较均匀，在接近河底处升高，达到最大值后迅速减小，至河底为零。     

基于局部拟合法的低能沙质海岸比尺设计

在波浪作用下的泥沙运动过程中,由于泥沙粒径的大小会影响到波浪边界层的紊动状态,以及泥沙沉降时绕流的紊动状态,进而影响其沉降和起动的规律,故波浪作用下的沙质海岸动床物理模型的比尺向来是一个复杂问题,其设计需要对各种因素进行衡量与取舍。而对于我国渤海、黄海沿岸常见的沙质海岸,其粒径范围决定了沉降时的绕流处于层流、紊流的过渡状态,沉降规律更为复杂,使其比尺设计更加困难。针对我国黄、渤海沿岸常见的低能沙质海岸波浪动床试验的泥沙比尺设计问题,探讨了适用于低能沙质海岸的比尺准则,剖析了比尺设计的难点,并提出了适用于一定泥沙粒径范围内比尺设计的局部拟合法。基于局部拟合法,针对低能沙质海岸剖面波浪动床试验,提出了相应的泥沙起动、沉速比尺关系式。     

淤泥质床面上减阻流动的紊动特征

本文对不同密度的淤泥质床面上水流运动的流速分布、减阻特征、紊流度、紊动猝发周期和能谱结构进行了系统的实验研究，并与刚性床面的结果进行了比较分析，结果表明：淤泥质床面具有减阻、增速、抑制紊流猝发产生和减小紊动耗散率的作用。