挟沙气流中输沙量垂线分布的实验研究

为了克服传统的垂直集沙方法在近床面区测量精度较低的缺陷 ,本文将垂直集沙方法和水平集沙方法结合 ,在风洞内测量了气流中输沙量沿垂线的分布 ,同时对沙粒沿风洞轴向的水平降落量进行了量测。实验分别针对五种风速条件和两种沙粒级配条件进行。结果表明 :挟沙气流中输沙量沿垂线分布的上段符合传统的指数递减分布规律 ,近床面区的输沙量较对应的指数分布函数预测值偏大 ,偏大的程度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而减小。采用本文的实验方法可以半定量地揭示近床面区输沙量偏离指数递减分布规律的原因 ,并能够合理地概括以往关于近床面区输沙率测量精度研究的各个方面的论述。     

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。     

风洞中挟沙气流水平集沙实验研究

过去对挟沙气流水平集沙的实验研究较少。在5种风速和2种沙粒粒径条件下进行了风洞水平集沙实验，发现沙粒降落量的分布特征由参考点沙粒降落量，沙粒平均最大跃移长度和“跃移－扩散”指数三个参数共同决定。其中，沙粒平均最大跃长度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而增大，“跃移－扩散”指数则呈相反的变化趋势。挟沙气流水平集沙实验研究是传统的垂直集沙研究的有益补充，对理解近床面层区的集沙效率也有参考意义。     

风沙流中沙粒粒度的垂直和水平分布特征

鉴于现有对风沙流中沙粒粒度分布特征的研究很少,本文通过风洞实验,在粗沙和细沙两种床面上、五种风速条件下,采集中垂线垂向集沙及其后水平方向集沙的沙样,并对沙样进行沙粒粒度分析实验。实验结果发现,沙粒粒度频率曲线形态为单峰偏态分布,并与其对应的床面沙粒组成有关。沙粒粒度的平均粒径在垂直方向和水平方向上,均呈指数递减;气流风速越大,平均粒径越大;当风速增加到一定程度时,气流对沙粒平均粒径变化的影响逐渐减小;沙粒在垂直方向上的平均粒径,均大于其对应的床面沙粒平均粒径。沙粒粒度的标准偏差,随着平均粒径的增大而增加。沙粒粒度的偏度系数和平均粒径的相关关系,与其对应的床面沙粒组成有关。由实验结果讨论得出,在非均匀风沙流的沙粒起动中,细颗粒沙粒的平均起跳速度大于粗沙粒,而粗颗粒泥沙的起跳率大于细沙粒。     

长江口浑浊带洪季悬沙粒度分布特征

根据长江口2013年浑浊带洪季悬沙粒度的实测数据,分析了长江口浑浊带区域悬沙粒度的分布特性,并与2011年枯季和历史数据进行了对比分析。研究发现,长江口浑浊带洪季悬沙垂线平均中值粒径变化范围在3.9～6.7μm之间;和枯季悬沙垂线平均中值粒径相比,洪季粒径的绝对值和变幅均小;且主要体现在大潮时段,核心区和过渡区的洪枯差别要甚于外缘区。近20年浑浊带核心区的悬沙中值粒径经历了"小-大-小"的变化过程。洪季长江口浑浊带悬沙中值粒径的全潮平均值为5.0μm,其中浑浊带核心区为5.4μm,浑浊带外缘区为4.7μm;垂向上变化幅度较小。浑浊带平均悬沙组分为46%的黏土和54%的粉砂;核心区大潮期间黏土组分沿水深向下从48%减小到32%,粉砂组分从52%增加到63%;小潮期间垂向组分变化较小。河口纵向粒径分布特性分析表明,浑浊带核心区的悬沙受河口外部来源的补充显著。     

水流冲泻质挟沙机理探讨

本文探讨了水流对冲泻质的挟沙机理。文中分析了床面附近区域内水流对泥沙颗粒的各种升力作用，发现湍流猝发喷射和清扫带动细颗粒脉动时．对颗粒可产生一个平均向上的升力效应．此升力可能大于细颗粒水下重量从而在近壁区形成滑垂线上浓下稀、具有正的梯度的浓度分布，这是床面上基本没有冲泻质泥沙时水流却能挟带一定数量某粒径细颗粒泥沙的报本原因．是与水流对床沙质挟沙机理的主要区别。     

挟沙水流卡门常数的理论研究

挟沙水流的流速分布,特别是其中的卡门常数,一直是冲积河流水力学研究的热点问题之一.实测资料表明挟沙水流流速分布仍遵循对数流速分布规律,但在主流区的卡门常数要小于清水时的卡门常数,而在近底区的卡门常数与清水基本一致.在引入颗粒切应力的基础上,从理论上推导了同时适用于主流区和近底区的统一流速分布模型.利用该流速分布模型,得到挟沙水流的卡门常数沿垂线是变化的结论,即从近底区的约0.4渐变到主流区的小于0.4.并给出了主流区卡门常数的理论表达式,认为主流区卡门常数与近底区的泥沙浓度和泥沙粒径有关.该卡门常数的理论公式与实测资料较为吻合.     

湍流中泥沙垂线分布的力学解释

作者从泥沙垂向动量交换出发，分析了泥沙在紊流中由于湍流脉动产生的升力效应，并综合考察了非湍流脉动原因存在的升力以及在不同浓度下含沙水流中泥沙受到的有效重力，得到了基于力学角度的泥沙浓度垂线分布的关系式。在此基础上，通过对床面粗糙度、泥沙粒径和含沙量等影响泥沙浓度垂线分布有关因素的分析，探讨了挟沙水流中两种不同浓度分布类型产生以及转化的原因，并结合具体的试验资料对泥沙浓度垂线分布形态时行了计算和验证，取得了较好的结果。     

泥沙粒径与水流紊动关系试验研究

挟沙水流中的泥沙颗粒因水流紊动而悬浮，同时受重力作用而下沉。由于水流中的泥沙颗粒会对水流紊动产生影响，反之，水流紊动也对泥沙颗粒分布产生影响，它们之间作用是相辅相成的。本文采用超声流速仪（MicroADV）量测挟沙水流的时均流速沿垂向分布，同时对泥沙颗粒粒径的分布进行了试验，研究了泥沙颗粒粒径d50和水流紊动强度在沿垂向分布之间的内在联系，结果表明：泥沙颗粒粒径和紊动强度沿垂线的分布一致性较好，并用实测资料对他们进行了拟合，建立了它们之间的关系式，有一定的实用价值。     

含淹没植物明渠近床面区紊流特征高度试验研究

为研究含淹没植物明渠紊流统计参数垂向分布突变位置、理论床面和渗透高度的关系,进行了含淹没刚性植物明渠水流试验,使用圆柱铝棒模拟刚性植物,采用激光多普勒流速仪(LDV)测量流场,对由纵向流速、雷诺应力、局部阻力系数分布确定的特征高度和渗透高度进行研究,比较各类紊流特征高度的相对位置,分析植物密度与淹没度对其的影响。试验结果表明,在植物密度较大的情况下,近床面区流速沿垂向保持常数,雷诺应力梯度较小,一定高度处分布规律发生明显变化,能够较容易地确定流速梯度和雷诺应力梯度突变位置,淹没度对由3种方法确定的特征高度影响不明显;各种方法确定的特征高度中,雷诺应力特征高度与渗透高度更加接近;渗透高度随植物密度与淹没度的增大而增大;渗透高度与理论床面高度存在一定的线性关系。     

水动力作用下太湖底泥的再悬浮通量

对太湖梅梁湾水体开展了两次野外实验，利用沉积物捕获器收集沉积物，研究了太湖悬浮物的沉降特征，计算了悬浮物的沉降通量和再悬浮通量，并建立了其与风速的关系。结果表明：太湖无机颗粒沉降是悬浮物沉降的主要形式。太湖平均风速在8m/s以内时，总悬浮物、有机物颗粒和无机物颗粒的沉降通量和再悬浮通量均呈现随风速增大而增大的特性，风速大小直接影响悬浮物在垂向的分布及垂向的沉降通量分布，并且相关性较好。该结论说明Gansith公式法适合于计算太湖再悬浮通量。     

A SEMI-CIRCLE THEOREM FOR UNSTABLE PERTURBATION IN TROPICAL CYCLONE-SCALE VORTICLES

In this paper, we discusses the spectrum distribution of baroclinic disturbances in tropical cyclone-scale vortices with the assumption that the basic flow does not vary with height. The semi-circle theorem for the unstable perturbation is obtained and the upper bound of growth rate can be estimated. The upper bound of instability growth rate increases with the increase of the maximum basic-state tangential wind speed, angular speed, inertial parameter, absolute vorticity, radial gradient of absolute vorticity and static stability. The upper bound of instability growth rate is greater for vortices of larger horizontal scale and smaller vertical scale and lower wave-number disturbances.     

旋流排螺模型初步试验研究

一些传统的水利血防措施(沉螺池、中层取水等)受多种条件的制约,工程效益难以充分发挥,研究新的水利血防措施势在必行。本研究借鉴旋流排沙的原理,研制了旋流排螺模型,并通过模型试验研究装置内的水流特性及排螺效果。结果表明:流量增大,流速以及紊动强度也随之增大;切向流速的径向分布中,靠近边壁的流速较大;在测流垂线上,切向流速分布中则以表层流速为最大;隔板对水流挤压使得在隔板边缘出现较大的轴向流速;模型内缘的径向流速比外缘径向流速更大。轴向紊动强度的分布为中上层大、底层小。在试验流量下,投入一定数量的钉螺,观测到模型排螺率达100%,表明旋流排螺技术是一种行之有效的排螺工程措施。     

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。     

Downflux of Sediment,Organic Matter,and Phosphorus in the Niagara River Area of Lake Ontario

Vertical arrays of sediment traps were installed near the mouth of the Niagara River and at nearshore and offshore sites. Surveys of temperature, turbidity, and conductivity were used to establish that the traps nearest the river mouth were under the river outflow plume. A single offshore array in 1980 indicated downfluxes of 1-2 g · m^?2 · d^?1 of dry matter in the mid-water column. These fluxes were similar to those of small lakes but much higher fluxes were found near the bottom of Lake Ontario. More extensive work in 1981 confirmed the presence of a near-bottom nepheloid layer and the effect it has on increasing downflux extimates. Sediment traps near shore and at the river mouth caught substantially more material at all depths than did traps at the offshore stations. Downfluxes of phosphorus and sediment were consistent with independent estimates of loading and retention.     

破碎波作用下床面形态研究及泥沙受力分析

破碎带水体强烈紊动对床面形态影响甚大,基于波浪水槽试验对沙质斜坡上破碎带床面形态以及泥沙受力进行研究。分析床面形态发现,同一断面处沙纹沙坝的形态与波浪形态基本一致,波高和周期决定沙纹沙坝的尺寸,波高越大,沙纹沙坝越高;周期越长,沙纹沙坝越长。通过对波浪破碎区的近底流速及砂床内孔隙水压力进行测量,将计算得到的表层上举力与超静孔隙水压力进行对比分析,发现其上举力与床面超静孔隙水压力大小相同。同时观察波浪破碎带床面高程,进一步研究上举力与超静孔隙水压力与床面高程的关系,发现表层上举力随着床面高程增加而变大,随着床面高程的降低而减小,而超静孔隙水压力与床面高程之间的关系则相反。     

横风作用下坝体与心墙填筑高差的防风结构研究

为降低碾压式沥青混凝土心墙在强风下填筑时心墙施工区风速,使风力等级达到规范要求,提出了利用坝体与心墙填筑高差形成防风结构的方法对心墙处近地面风速进行消减,并通过现场试验和数值模拟的方法对横风下不同设计形式的防风结构风力消减效果进行了评估。结果表明:增加防风结构高差和减小设置距离有利于心墙处近地面风速的消减;8级风(风速20.7 m/s)条件下,防风结构设置距离为9.08 m时,高差为10 m和12 m的心墙处近地面风力可消减至4级风(风速5.5 m/s)以下;设置距离和达到防风要求的最小高差呈线性关系;风速和达到防风要求的最小高差符合二次多项式关系。