含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

人工加糙对明渠紊动特性影响的试验研究

利用激光测速仪，对光滑壁面及人工加糙的明渠紊流进行了试验，测量了光滑壁面、水力过渡面、水力粗糙面不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速及脉动流速。通过实测资料分析了人工加糙对明渠紊流紊动强度的影响，得到了光滑面、过渡面及粗糙面紊动强度的发展变化规律。     

有桩群河道水流紊动特性探究

为了分析桩群对河道水流紊动特性的影响,利用声学多普勒流速仪(ADV)测量了矩形断面明渠中在修建桩群前后不同断面不同垂线、不同测点的三向流速,计算出水质点的三维无量纲化的紊动强度,并分析其分布规律和变化特征.试验表明:水流的横向紊动强度和纵向紊动强度具有相似的分布规律;纵向紊动强度远远大于横向和垂向紊动强度;桩群使水流垂向紊动强度变化幅度最大,该试验研究可为桩群对水流结构的影响分析提供参考.     

有植被的河道水流紊动特性模型试验研究

通过物理模型试验,研究了有植被的河道水流紊动特性.试验结果表明,在复式断面河道滩地种植柔性植被后,滩地糙率增大,水流紊动更为剧烈,河道水流紊动强度峰值由原先的滩槽交界区转移到滩地区.滩地的水流紊动强度沿程递减;滩槽交界区的水流紊动强度沿程不断增大;主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关,滩地植被影响了滩地水流的归槽时间,使主槽水流流速沿程增大.     

矩形明渠中矩形边墩周围紊动强度和雷诺应力分布特性试验

利用声学多普勒流速仪(ADV)测量矩形断面明渠中矩形边墩周围不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算出水质点的三维相对紊动强度和雷诺应力,分析其变化特征。试验表明,紊动强度和雷诺应力在边墩周围明显增大且具有相类似的分布特征。该研究可为水流的紊动结构、丁坝与桥梁矩形边墩的水流紊动特性和冲刷机理提供验证资料。     

闸下应用废旧轮胎消能防冲的水流紊动特性

使用废旧轮胎对海漫进行柔性加糙,是提高消能防冲效率的有效方法。通过水工模型试验,量测了加糙后三维流速的分布情况,并计算出水流质点的三维相对紊动强度和雷诺应力,分析其变化特征。结果表明:海漫加糙后,表层水流的紊动强度和雷诺应力最大,两者具有相似的分布特征。     

生物膜泥沙床面对水体紊动影响的实验研究

泥沙床面生长生物膜后水流紊动特性将发生变化,进一步影响到泥沙的起动,悬浮和输移特性。本文采用d500.1 mm的天然沙,对相同水流条件下无生物膜生长和有生物膜生长床面以上的水流内部结构进行研究。实验中采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了垂向流速,对比分析了生物膜生长前后,时均流速、雷诺应力、紊动强度以及紊动猝发事件在垂向上的变化,并初步分析了这些变化对泥沙运动的影响。结果表明:生物膜生长后,同流量条件下的垂向平均流速增加,床面阻力减小;对比无膜沙床面,有膜沙床面在发生冲刷的水力条件下,雷诺应力、紊动强度均有所减小,从而会影响到悬沙的浓度分布;同时猝发事件发生率在垂向上的变化也使得生物膜泥沙床面的泥沙起动更加困难。     

不同糙体对水流和糙率特性影响试验研究

利用三维ADV进行光壁石和塑料草加糙后的流速测量,比较加糙后流速、紊动强度和雷诺应力等垂向与横向分布。结果表明:加糙后流速垂向分布呈"J"型,紊动强度略呈"J"型,雷诺应力呈""型,且塑料草对水流特性变化的影响较大;相同参数条件下加糙间距、水深越小,流量越大,流速呈"J"型分布越明显、紊动作用也越强、雷诺应力的最大值就越大;随着雷诺数或弗劳德数的增大,糙率逐渐减小,但幅度越来越小,最后趋于稳定。     

不同加糙方式对明渠水力要素的影响探究

渠道糙率的变化会造成渠道各个水力要素产生相应的改变。通过对梯形渠道进行不同方式的加糙,并用电磁流速仪测量流速,分析在不同加糙方式下流速变化、不同形状的加糙形式对水流流速引起的变化以及糙率和各水力要素之间的关系。分析结果表明：当流量不变、加糙方式一定时,糙率随着设计水深的增大而增大;断面平均流速随着糙体间距的增大而增大;当流量不变、水深一定时,糙体布置间距越小,水流的纵向紊动强度越大;水深和糙体间距不变时,随着流量的增大,水流的纵向紊动强度增大,但变化不明显。     

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。     

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。     

梅花形阵列粗糙床面明渠紊流特性

梅花形阵列粗糙是常见的床面粗糙形态,但其水流紊动特性参数在颗粒间的沿程变化和不同象限间的分布差异等研究仍较薄弱。采用不同颗粒大小和排列间距的圆形玻璃珠制作了3种梅花形阵列粗糙床面,基于明渠紊流的PIV水槽试验资料,探讨了无量纲纵向紊动强度T_u、雷诺应力R和紊动能E的分布规律。结果表明:① 颗粒顶部以上区域的T_u、R、E沿程基本呈条带状变化,受颗粒影响较小,而颗粒顶部以下区域则受颗粒影响明显,沿程变化相对复杂,表现出一定的周期性和分区性,并可分为颗粒区和粒间区。② 颗粒顶部以上区域T_u、R、E的垂线分布基本重合,颗粒顶部以下区域则波动明显,分布曲线呈“S”和倒“L”等形状。③ 粒间区各象限的R、E沿程变化较为平缓,接近水平线,第2、4象限的R、E总体大于第1、3象限;颗粒区各象限的R、E沿程分布呈“∪”状并在沿程位置参数x+ = 0附近有最小值。研究成果对鱼道及航道工程设计等具有一定的指导意义。     

潮流紊动特性试验研究

开展潮流的紊动特性研究,对于了解潮汐水域泥沙及污染物输运机理、保护生态环境具有重要意义。本文通过水槽试验系统全面地研究了潮位正弦变化的往复流紊动特性随潮变化规律,以100 Hz的高采样频率连续采集主流区测点三维瞬时流速,根据移动平均法及最小二乘原理计算时均流速过程曲线,据此分析了紊动强度及雷诺切应力随潮变化规律、特征潮时概率密度分布与正态分布的差异,以及脉动流速的紊动能谱。研究结果表明,水流纵向流速随潮近似于正弦规律变化;纵向、横向与垂向的相对紊动强度在转潮阶段出现峰值;涨急与落急时段,与纵向脉动流速相关的雷诺切应力相对较大,纵向与垂向脉动流速概率密度分布偏离正态分布;特征潮时的脉动能谱密度均随频率增大而减小,水流能量主要集中在10 Hz以内。     

植物坝覆盖区明渠二维两相流场紊动特性研究

漂浮植被占用了行洪断面面积,增大了河流的阻力,遇到障物后,造成河道严重堵塞。通过室内物理模型试验和数值模拟的方法,研究、分析大面积覆盖水面的漂浮植被对河道泄洪能力、河道水体结构、水流特性的影响。根据紊动强度和雷诺应力沿程变化,从波动幅度上看,植物覆盖区波动幅度较大;对根茎区,无植物覆盖但受影响区紊动强度不大,但较无植物覆盖时的明渠水流有明显增大,植物坝覆盖区及植物坝前缘区变化显著,尤其是植物坝前缘区的紊动强度波动很剧烈。     

刚性淹没球冠状植被水流特性试验研究

本文将植被体型概化为由球状树冠和主干组成的树状植被,采用Micro ADV测量了树状植被影响下明渠水流的流速分布,分析了不同流量和水深条件下4组树状植被对明渠水流的影响,着重研究了树状刚性植被水流的平均流动和紊动结构,比较了多个典型位置处水流的纵向流速、垂向流速以及紊动强度。试验结果表明,水深越小,无量纲纵向流速越大;树冠的形状对水流特性的影响较大,在树状植被附近,纵向流速的垂向分布在树干层近似均匀分布,在树冠层先减小后增大,在无植被层符合对数分布;紊动强度在树冠层较大,在树干层和无植被层较小;通过象限分析,发现下扫作用主要在植被层起主导作用,喷射作用主要在自由水层占主导。     

波浪—水流共同作用下的紊动边界层数值分析

本文利用k-ε方程求解了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊流边界层的紊动结构。分析的结果表明：在边界层内，波浪和水流的耦合运动不是简单的线性迭加，而是呈非线性特性。波浪的存在在很大程度上影响了水流的流速分布，然而，水流对波浪的流速分布影响却很小。数值解与实验结果吻合较好，在不引入涡层粘度假设的情况下，给出了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊动边界层的结构特性。     

黄河下游滩区含植物水流运动及阻力试验研究

含植物水流运动规律是研究黄河下游滩区防洪的重要内容。通过开展水槽试验，测量不同水深、比降、含沙量条件下的流速分布，研究了黄河下游滩区代表性植物作用下的水流动力特性及阻力变化规律。研究结果表明，植物在非淹没情况下，纵向流速随相对水深增加，表现为先增后减；在淹没情况下，纵向流速沿垂向呈三区“S”形分布特性；相对紊动强度的沿垂线分布特点与纵向流速基本一致，但含沙量越大，水流纵向紊动强度越小。在相同比降条件下，植被糙率随佛汝德数的增加而减小；而佛汝德数一定时，植被糙率与比降成正比；相同比降条件下的植被糙率随含沙量的增加而减小。     

高帧频明渠紊流粒子图像测速系统的研制与应用

研制了一套明渠紊流二维水槽试验系统,并开发了图像采集和数据处理软件,该系统测量频率高,局部图像最高频帧可达800Hz.应用于试验水槽水流的测量结果得出雷诺应力在距床面0.1h(水深)以上沿深度呈线性分布,纵向时均流速垂线分布在y =30以上基本符合对数律,纵向紊动强度在y =50以上基本符合指数分布,与现有的研究成果吻合,证实了系统的可靠性.     

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。     

射流冲沙研究

作者通过实验和分析，研究了横流中加入平面冲击射流对防止局部泥沙淤积的影响。水槽实验中观测了水射流局部紊动强度变化、射流冲沙范围内局部紊动剪应力分布、泥沙不淤积临界断面的底部垂向紊动强度和射流强度与泥沙防淤尺度的关系。得出了射流影响区水流紊动能随距离的衰减规律和保持泥沙不淤积所需的水流临界紊动强度。统计分析了射流强度与紊动能的变化关系。根据泥沙悬浮理论和射流紊动输沙机理，建立了水射流局部无泥沙淤积长度经验计算式，并以不同特性泥沙的射流输沙实验资料对所建立的计算公式进行了验证，二者吻合良好。