一种新的S型悬沙垂线分布研究

鉴于众多实验及实测结果中,最大含沙量常不在水体底部的现象,根据Coles非均匀流理论,对Van Rijn流速垂线分布公式进行改进,得到形式更加简单且能够表示最大流速不在水体表层的S型流速垂线分布公式,并以此为基础,推导出可以表示最大含沙量不在底层的S型悬沙垂线分布公式,结构上与王光谦的I型含沙量公式相似,但形式更为简单。采用实验数据及实测数据进行验证,结果表明,该含沙量垂线分布公式可以较好地反映实验及实测中最大含沙量不在水体底部的现象。     

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。     

基于分形理论的冰下水流流速垂线分布研究

冰下水流流速分布是冰凌生消、泥沙输移、河床演变及冰期输水的重要参考依据,基于分形理论,在前人的研究基础上,研究了冰下水流流速垂线分布规律。结果表明,依托明渠水流的若干成果,从分形理论出发,基于Einstein假定,可推出已有冰下不同形式的流速垂线分布公式;理论分析认为,冰下分区水流流速分布近似镜像,均具有分形特征,可用双对数公式表达,实测结果证明,对于弯曲河道,水流核心区流速分布均匀,并不服从对数分布,公式在运用时需考虑适用性或引入因子项;稳封期,冰盖区水流流速分布的分维值大于河床区,流速分布更均匀,而在弯道卡冰区域,由于弯道冰下水流结构的复杂性,河床区水流流速分布的分维值无规律。对冰下水流流速的研究,拓展了分形理论在水流流速垂线分布研究方面的应用成果,概化的冰下水流结构,对工程运用有一定借鉴意义。     

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。     

小浪底水库异重流垂线流速和含沙量分布研究

对小浪底水库异重流断面流速和含沙量垂线分布进行了研究,结果表明:异重流断面垂线最大流速点下的流速分布符合指数分布,最大流速点上部流速分布可按照高斯正态分布计算,含沙量垂线分布符合常数为最大含沙量的抛物线分布。据此结果导出了异重流垂线流速分布公式和含沙量垂线分布公式,可以较好地模拟小浪底水库异重流断面流速和含沙量的垂线变化规律。     

浅析流速垂线分布与含沙量垂线分布的关系

根据流速垂线分布公式的结构不同,将流速垂线分布公式分为3类,并推导出3类流速公式对应的以垂线坐标为变量的含沙量垂线分布公式。理论研究表明,流速与含沙量的关系主要以流速梯度与含沙量梯度的关系为基础,基于该关系推导出与每类流速公式对应的以流速为变量的含沙量垂线分布公式,并分别讨论了3类流速分布对含沙量分布的影响,最终得到流速量级对含沙量量级的定量关系为指数倍的变化率。     

长江黄河含沙量垂线分布的分形研究

为了从流体内部结构入手分析挟沙水流含沙量分布,以长江、黄河实测资料为例,从分形标度的角度出发,探讨了天然河道含沙量垂线分布的规律。研究结果表明：天然河道含沙量垂线分布呈二阶累计和变维分形现象,分维数可以反映含沙量垂线分布的均匀程度,分维数越大,含沙量垂线分布越均匀;长江含沙量垂线分布的分维数（绝对值）要小于黄河的分维数,并且同一条河道的不同位置分维数不同;含沙量垂线分布的分维数大小与泥沙粒径、水深等有关。     

明渠挟沙水流的两相流模式

本文从两相流基本方程出发对明渠挟水流含沙量、流速垂线分布及近底层平均流动特性进行了理论研究，建立了一个新的泥沙扩散方程，并用大量资料进行了验证。结果表明：现有含沙量公式和流速垂线分布公式只是本文理论模式在低含沙量条件下的简化形式。当含沙量增加时，固相泥沙对流动结构的影响亦趋显著而不可忽略。精确模拟水沙流动，需要发展高级的两相湍流模式。     

长江黄河垂线流速分布的分形研究

目前工程中应用的各种流速分布都应当看作是紊流运动的基本方程(Navier-Stokes方程)在不同条件下的近似解,因此有不少的学者试图从标度指数出发寻求流速分布的规律.以长江、黄河实测资料为例,从分形标度的角度出发去探讨天然河道垂线流速分布的规律.研究结果表明:天然河道垂线流速确实存在着分形现象,分维数可以反映垂线流速分布的均匀程度,分维数越大,垂线流速分布越均匀;一般情况下,长江垂线流速的分维数要大于黄河的分维数,并且同一条河道的不同位置分维数不同.     

潮流流速垂线分布的分类及其分形规律

基于大量的实测资料,将潮流流速垂线分布分为Ⅰ型流速分布和Ⅱ型流速分布两种类型,并采用变维分形理论探讨了Ⅱ型流速分布的规律。结果表明:①Ⅱ型流速垂线分布存在变维分形现象;②三次函数关系式是Ⅱ型流速分布的最佳拟合公式。     

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

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.     

漫滩水流水沙运动规律的研究

本文根据漫滩水流的运动特点，将漫滩水流的复式断面分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等4个区，并给出了各区宽度的经验公式.根据滩槽交互区垂线流速分布的变化特点，提出了附加尾流函数的对数流速分布公式.在简化水流运动方程和泥沙扩散方程的基础上，对滩槽交互区内垂线平均流速及含沙量沿横向分布进行了理论分析，提出了反映滩槽水流动量交换强度的横向涡量粘性系数及横向扩散系数的表达式，得到了漫滩水流垂线平均流速及含沙量沿横向分布的解析解，并与实测资料吻合较好。     

黄河高浊度水的絮凝形态学特性

在黄河泥沙高浓度悬浊液中投加阳型高分子聚合物进行沉降试验时，借助电镜观察、图像分析技术与“分维”特征参数，探讨了不同絮凝阶段含沙高浊水絮凝形态学参数的变化规律。结果表明：分形絮体的粒径呈广义的正态分布；絮体自由沉速的变化规律不能用传统的Stokes定律解释；不同泥沙浓度对应的絮凝形态学特性的发展变化规律相似；理想絮体分形结构出现在絮凝过程的中间时段，此时，絮体粒度分布集中、密实程度高、孔隙率小、沉速快、分维值最大。     

黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理(黄河下游河道存在巨大的输沙潜力)

利用黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料,结合高含沙水流流变特性分析得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同,均可用曼宁公式进行阻力计算;由于黄河泥沙组成较细,d50=0.03~0.10mm,随着含沙量的增加颗粒的沉速大幅度降低,泥沙在垂线上分布变得更加均匀,当含沙量大于200kg/m3以后发生改变;从泥沙存在对水流结构,流速在垂线上的分布特性上分析,含沙量200kg/m3左右时输送最困难,并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大,粗颗粒泥沙在河道中也能顺利输送,洪水期实测含沙量可达800~900kg/m3,表现出高含沙水流的高效输沙特性;黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为200kg/m3,在流量2 000~3 000m3/s时,高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流入海的主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。     

宽级配泥沙分形特性及其输移规律试验研究

为了探寻宽级配泥沙粒度分形特性及其输移规律,通过水槽冲刷试验,分析了床沙和推移质的分形特征,并对不同床沙、不同流速条件下的泥沙粒度分维值进行了定量的计算和对比。结果表明:不论床沙还是推移质的级配都具有良好的统计自相似性,具有分形特征;级配是否连续对于粒度分维值的变化存在显著影响,床沙粗化后粒度分维值变小,且随着冲刷流速的增大,非连续级配时粒度分维值逐渐变小,而连续级配时粒度分维值逐渐变大。推移质粒度分维值与其所对应的中值粒径存在显著的负相关性。     

低含沙量异重流运动规律及其对水温分布的影响

当挟沙水流进入清水时,在特定的条件下会潜入底部向前运动,形成浑水异重流。水库水温分层使得水体密度在垂向出现差异,低含沙量浑水形成的异重流与周围水体密度接近,因而在运动过程中会受到垂向温度分层的干扰。浑水异重流是泥沙运动的特殊形式,还可能改变环境水体的温度,是水库调水调沙必须考虑的因素。该文应用水槽试验结合数值模拟,探究了水温分层条件下低含沙量异重流的运动规律及其对水温分布的影响。结果表明,异重流潜入点处形成回流,交界面以下含沙量以均匀梯度增加,前锋运动速度沿程不变;中层异重流不改变水温分布,而底层异重流则会对水温结构造成破坏,使得水温分布由分层型转变为混合型。     

基于阻力规律的床面形态判别方法

床面形态变化是河床演变的重要方面。如何根据水流和泥沙条件,预测床面可能出现的形态,一直是航道整治与泥沙研究所关心的实际问题。水流阻力规律是水流流动及床面形态等综合特征的反映,反演适当的阻力规律表达式,应能够区分出不同的床面形态。本文正是基于这一理念,通过建立包含床面形态参数的河流水流阻力规律表达形式,并结合水槽试验,得到了确定床面形态的无量纲特征参数,以此对不同床面形态进行区分,绘制出相应床面形态划分图,进而得到了高、低能态时不同床面形态间的分界线方程。该方程可用于对河床形态进行判别与预测,对河流整治具有指导作用。