矩形明渠流速分布律及流量自动化测量方法

分析明渠水槽试验结果,建立了矩形断面明渠流速沿垂线分布的抛物线公式和流速横向分布的乘幂函数公式,拟合分析给出了流速分布系数的确定方法.根据提出的明渠流速分布律,给出了确定明渠流量的简易方法,计算相对误差较小,满足明渠流量计算的精度要求.并在此基础上设计了实用流量自动化测量系统.     

三维粒子示踪测速技术的开发及初步应用

开发的单颗粒三维运动轨迹测量系统的硬件由四部摄像机、一台PC机和内置的图像卡组成。软件系统包括4路图像实时同步采集、图像二值化和聚合程序，坐标校正和转换，以及各统计参数的计算公式。系统标定的空间误差小于0.3mm，速度误差约为1.0mm/s。开发的颗粒三维运动测量系统在测量颗粒运动更长的轨迹、实现较高的采样频率和保证每个摄像机的高分辨率、只进行一次标定而进行各种水力坡度的试验及实现极大样本的采集等方面都取得了明显的进展，为研究颗粒运动的基本规律提供了新的方法。试验可以得出颗粒三维运动的瞬时速度，初步试验得出颗粒的纵向平均速度遵循对数分布，颗粒速度小于相应水流的运动速度。     

含植被群河槽垂线平均流速分布特性实验研究

植被单元产生的形态阻力会阻碍水流,从而导致局部流速亏损,因此植被作用下的流速分布不同于明渠水流.通过水槽试验,研究了非淹没刚性植被群对单一河槽水流垂线平均流速分布的影响.采用竹签概化模拟圆形植被群落,设计了试验方案、各项参数等,进行了两组对照试验.试验表明,植被群会影响垂线平均流速的纵向分布,在植被群后流速显著减小,并且在一段距离后逐渐恢复;植被群对垂线平均流速横向分布也有一定的影响,在植被群下游附近垂线平均流速沿横向呈波谷状对称分布,而在其上游影响甚微.     

样本容量对明渠垂线流速分布对数公式拟合的影响

针对明渠垂线流速分布测量样本容量对对数公式拟合的影响问题,通过水槽试验,应用激光多普勒测速仪,在0.2倍水深内布设110个点进行垂线流速测量;按相对等距原则,从110个测量数据中共生成11组不同样本容量的流速系列进行统计分析。结果表明:试验测得的垂线流速分布符合对数公式;对数公式拟合所得的摩阻流速、积分常数及其统计变量相关系数和变差系数随样本容量大小的变化而变化,当样本容量逐渐变大时,渐渐趋于稳定,符合统计理论的大数定律;合理反映垂线流速分布变化的试验,其测点需要一定的样本容量;试验得到的垂线流速在间距分布比较均匀的条件下,0.2倍水深内所需样本容量为50左右。     

明渠含沙水流的垂线流速分布特性研究

 为了进一步研究明渠中含沙水流的垂线流速分布规律,在水槽系统中对明渠恒定均匀含沙水流进行了系列试验,利用实测流速资料,计算分析了时均流速的垂线分布。结果表明：在宽深比比较小的明渠中对最大流速点修正的对数公式可以很好地符合实测数据;水槽中心位置的卡门常数要比其边壁附近的小;卡门常数随着含沙量的增加而减小。通过对明渠含沙水流垂线流速分布特性的研究,增强了对明渠含沙水流垂线流速分布规律的认识。     

光滑明渠均匀紊流水流结构研究

建立了一套高精度的明渠水流试验系统,并通过PIV流场仪测量了光滑明渠均匀紊流的水流结构.为真实反映均匀紊流的水流特性,PIV采样次数约需要3 000次.试验结果:对数一尾流律公式能够很好地描述明渠均匀紊流垂线流速分布,卡仃常数、积分常数和尾流律系数分别为0.407、4.902和0.272;紊流度垂线分布符合前人的研究成果,但经验系数有所差别,分别为Du=2.05、Dv=1.2l、Ck=1.25.     

宽窄相间河道上游流速特性分析

山区河道受地质和河床演变的影响,平面形态呈宽窄相间的形态特征。采用水槽模型试验,建立不同比例的宽窄相间河道模型,对上游断面进行流速测量,对比均匀流分析其流速变化规律,并反算其摩阻流速。结果表明:宽窄相间河道上游较远处流速分布基本符合对数流速分布规律,接近收缩段处不符合对数流速分布规律;宽窄相间河道横向流速分布符合指数分布规律,其横向流速分布参数与摩阻流速呈规律性变化,与宽窄比及距收缩段的距离有关。研究成果可为宽窄相间河道工程整治提供理论参考。     

矩形断面明渠流速分布的研究及应用

通过对矩形断面明渠流速分布的理论分析与试验研究，建立了明渠沿垂线流速的分布公式和沿横向流速的乘幂函数分布公式以及相关系数的确定方法。经不同水槽、渠道流速资料的验证，表明提出的明渠流速分布律与实际分布特点一致，测点流速相对误差比较小，可以很好满足明渠流量测量的精度要求。在此基础上提出了对明渠渠道进行流速、流量连续测量的计算方法，对简化明渠测流工作量、提高明渠测流精度具有实际应用价值。     

三圆柱串列水流流速特性试验研究

通过对间距为4D和8D(D为圆柱直径)时的三圆柱串列水流流速分布进行了试验分析,由试验结果可知:在横断面上,由于桩的阻力和前柱尾流区存在的漩涡,水流向阻力小的无桩区转移,动量向水槽边壁呈近似波状传递;无桩区附近流速增大,流速的改变趋势沿水槽中心基本呈对称分布;两种间距试验结果比较发现:桩柱间距越大,流速减小幅度越小,流速改变波及面越小.     

桥墩紊流宽度的试验研究

通过概化水槽试验,采用M icroADV流速仪测量瞬时流速,得到桥墩周围纵向、横向和垂向时均流速和紊流强度的横向分布.比较了有、无桥墩的时均流速和紊流强度横向分布变化,得出桥墩对时均流速和紊流强度的影响幅度和范围,据此确定桥墩侧边缘的紊流宽度,并给出了桥墩最大紊流宽度随断面平均流速变化的关系.     

RESEARCH ON AIR CONCENTRATION DISTRIBUTION IN SELF-AERATED OPEN CHANNEL FLOW

A theoretical investigation of air concentration distribution in self-aerated openchannel flow is presented in this paper.Research indicates that,if the aeration ratio is high,theinteraction between air and water should be taken into consideration and the turbulent transportequation be modified properly.The calculating models of the rising velocity of air bubbles andthe coefficient of turbulent diffusion are derived.The united air concentration distribution for-mula for upper and lower regions is then obtained.The analytical solutions show good agreementwith the measured data.     

具有 Riblets 边界面的粘弹性流体速度分布的实验研究

利用激光测速手段研究了明槽中 Riblets 边界上粘弹性流体流动的速度分布。实验证实，粘弹性流动在具有三角形的 Riblets 底边界时，其粘性底层与紊流核心区内的时均速度分布与窦国仁[1]提出的粘弹性流体速度分布的理论公式很接近。在过渡区，时均速度的理论值与实测值存在着一定程度的差别，这反映了 Riblets 的影响。根据试验值，文中用试错法对窦氏公式予以修正，用其表述在具有 Riblets 底边界时的粘弹性流动的时均速度分布。对于脉动速度，实验表明其最大强度出现在过渡区，且该区域较之具有光滑壁面的清水流动的范围为宽。实验还显示， Riblets 底边界存在的情况下，脉动速度与窦氏理论值是很接近的。理论预报值略高于实测值。     

三维水流的紊动结构特征

矩形断面中流动的水流，在边壁附近其特征表现为三维性。依据试验资料，论证了笔者提出的水力半径分割原则，在角区附近存在一条雷诺应力为零的曲线，二次流不穿越该线，两个方向相反的二次流分别存在于分割线上、下。在此基础上，从流速分布角度论证了水力半径分割曲线的存在；通过整理试验资料发现，同一根垂线上，当高度越过分割线时，其流速分布曲线偏离对数规律，需用另一区域的对数规律描述。并提出了断面流速的计算方法。     

ADV技术测量圆射流流场紊动特性实验

利用 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)技术对静止环境条件下圆射流流场紊动特性进行了研究 .通过专门的 Win ADV系统分析软件获得了射流横断面上流速的紊动强度、偏斜度、平坦度及雷诺应力的分布 ,轴线流速紊动强度的变化和射流瞬时速度变化等紊动特性 ,并将所得成果与已有的国内外成果进行了比较     

明渠水气二相流流速分布研究

为了实际应用的需要，根据前人的实验资料，建立了一套计算自掺气水流流速分布的半经验半理论方法，提出掺气对紊动有抑制作用，因而增大流速梯度，可使明渠水气二相流的最大流速比不掺气水流的最大流速有所增大，并导致近底流速指数分布中指数大于1／7。公式的计算结果与实验数据相比较基本一致。     

冰盖下水流流动的掺混特性

本文采用κ-ε紊流模型建立了冰盖流及物质输移的垂向二维数值模型，对封冻河道水流的垂向掺混特性及水中冰在冰盖下的输移规律进行了研究。研究结果表明，冰盖下水流纵向流速在流动核心部分较为均匀，并不遵循对数分布规律；沿水深水流紊动粘性系数并没有出现为零现象，并当上下边壁粗糙相近时，在水深中部达到最大：位于不同水深位置的水中冰进入封冻河道时，在冰盖下有不同的输移规律，水深中部水中冰的最大浓度值降低速率及扩散范围相对较大。研究结果揭示了冰盖对水流流动及垂向掺混的影响。     

粗糙圆管进口段紊流边界层发展区的流动特性

本文在流速分布对数律假设下,通过求解动量积分方程获得了粗糙圆管进口段紊流边界层和进口段长度的计算式。当圆管半径R→∞时,即得到粗糙平板紊流边界层的计算式。本文还给出了粗糙圆管紊流边界层和进口段长度的简化计算式,并建议了粗糙圆管平均流速的计算式及流速分布指数n与参数δ/Δ、δ/R的关系式。本文成果对进一步研究流动阻力等问题是很有益的。     

RESEARCHES ON THE TRANSVERSE DISTRIBUTION OF SUSPENDED LOAD CONCENTRATION

1 .　INTRODUCTIONTheturbulentdiffusionequationofthesus pendedloadissecond order ,linearandpartialdif ferentialequationwithvaryingcoefficients .Itisdifficulttosolvetheequationbecauseofthecom plexboundaryconditions .Ingeneral ,theequationcanbesolvedbychangingthevaryingcoefficientsintoconstantones .Butitisnotcertainthatthesimplifiedequationcanexpresstheprimarylawofthesedimentmotionunderthesimplerboundaryconditions.Henceitiscriticaltosolvetheequa tionwithvaryingcoefficients.2 .　RASICEQUA…     

具有Riblets边界面的粘弹性流体速度分布的实验研究

利用激光测速手段研究了明槽中Riblets边界上粘弹性流体流动的速度分布。实验证实，粘弹性流动在具有三角形的Riblets底边界时，其粘性底层与紊流核心区内的时均速度分布与窦国仁提出的粘弹性流体速度分布的理论公式很接近。在过渡区，时均速度的理论值与实测值存在着一定程度的差别，这反映了Riblets的影响。根据试验值，文中用试错法对窦氏公式予以修正，用其表述在具有Riblets底边界时的粘弹性流动的时均速度分布。对于脉动速度，实验表明其最大强度出现在过渡区，且该区域较之具有光滑壁面的清水流动的范围为宽。实验还显示，Riblets底边界存在的情况下，脉运速度与窦氏理论值得很接近的。理论预报值略高于实测值。     

跌坎下游流场的时均流速分布和脉动特性

本文采用颗粒示踪的方法试验研究了跌坎下游主流重新接触床面流区的时均流速分布，流速的脉动强度及各点脉动流速的概率密度分布。试验结果表明，跌坎下游水流分离，具有稳定的漩涡发展，漩涡产生的频率约为每２秒３次。重新接触点离跌坎的距离约在３￣６倍坎高之间。在主流重新接触床面的流区，紊动剪切应力最大，在量测的流区，脉动流速的概率密度接近正态分布。