床面推移质颗粒跃移过程的水槽试验研究

推移质泥沙颗粒的跃移是河流泥沙运动的重要形式.为了研究推移质颗粒跃移运动参数的变化规律,在水槽试验中采用高速摄像技术,观测7种工况条件下,0.3～1.7 mm粒径的推移质颗粒的跃移运动形态,提取颗粒跃移运动的时空信息,分析了泥沙颗粒跃移距离和跃移高度的变化规律.结果 表明,相对跃移高度和相对跃移距离的概率密度分布函数均...     

推移质颗粒跃移运动的随机特性

推移质颗粒跃移特性具有两重性,既有确定性的一面,也有随机性的一面.作者为了研究推移质跃移机理,曾应用高速摄影技术,系统地测量了推移质颗粒的跃移过程.本文重点分析了跃移运动的随机性,利用统计分析的方法对跃移颗粒的跃长、跃高、跃移速度,起跃和落地速度等运动参数进行了分析,结果表明:跃高和跃长的概率密度服从分布,跃移速度、起跃和落地速度的概率密度服从正态分布,试验资料与运动参数的理论分布取得了较好的一致性,文中对跃移各运动参数的数值特性也进行了分析.这方面的研究对于泥沙运动机理的深入了解及工程实际有着重要的意义.     

水文基础知识一百问(二)

<正>9.河流泥沙及输沙率的概念是什么?根据泥沙运动特性可将泥沙分为几类?答:河流泥沙是指河流中随水流输移或在河床上发生冲淤的岩土颗粒物质。输沙率是指单位时间内通过河流某一断面的泥沙数量。根据其运动情况,可将泥沙分为推移质、跃移质和悬移质。由于跃移质是推移质和悬移质间的过渡情况,因此有     

推移质滚动的机理及统计规律

卵石推移质运动规律研究对山区河流开发利用意义重大。推移质颗粒一般是以滚动(间或滑动)、跃移等形式运动的。在低水流强度范围内,颗粒运动形式以滚动为主;即使占推移质大部分的跃移颗粒,通常也并不是在起动之后随即跃起,而往往需要先滚动一段距离。因此,有必要进行泥沙颗粒滚动机理研究。本文建立了粗颗粒泥沙滚动力学模型,将滚动步划分为接触步和自由步,经计算得到脱离角、单步运动步长、平均滚动速度等表达式;并采用爱因斯坦方法,修正了其公式中的单步步长和冲刷率,进而得到相应的推移质输沙率公式,并用实际输沙率资料进行了验证。     

推移层厚度研究综述

泥沙颗粒按其运动形式及能量来源的不同,可以分为推移质和悬移质.其中,推移层作为推移质的运动范围,对于近底层泥沙运动等研究具有重要意义.本文综述了以往出现的各类确定推移层厚度的标准,如泥沙跃移高度、沙波高度、层移区厚度、床面粗糙高度等,并根据泥沙输移发展的顺序,论述和分析了各类标准的合理性及适用性.同时,阐述了悬沙输沙率计算中参考面高度的取值与推移层厚度的关系.     

颗粒比重对水流挟沙力的影响

根据颗粒在水中跃移运动的理论分析及水槽试验资料,推移质颗粒的跃移高度,步长及速度与颗粒比重均非定比关系.随着水流强度的增加及颗粒比重的减小,颗粒比重变化对推移质运动参数及推移质和全沙挟沙力的影响愈来愈小.这一问题的认识对利用轻质砂进行动床模型试验时的相似律问题以及输送不同比重矿物的管道两相流输沙率等问题都有重要的影响.     

山区河流推移质运动的野外试验研究

山区河流推移质运动与河床结构发育程度之间紧密联系,认识这种联系有助于揭示山区河流的推移质输沙规律。通过专门设计制作的推移质运动观测-视频采集系统和河床结构发育程度测量装置,对河床结构发育良好、部分发育及无河床结构(平整床面)三种典型床面条件的山区河流推移质颗粒运动进行了观测分析,并初步研究了推移质运动和河床结构发育程度的制约关系。试验发现,河床结构发育良好时,推移质输沙率很低,推移质输沙主要通过跃移运动实现;河床结构部分发育时,颗粒跃移强度上升,并逐渐有颗粒突破结构束缚,在床面滚动(间或滑动);无河床结构条件下,滚动(间或滑动)和跃移输沙均为推移质输沙的重要方式;如果水沙浓度达到一定值,可能发生层移质运动,滚动(滑动)输沙超越跃移输沙成为推移质输沙的主要方式。宏观上看,山区河流推移质输沙和河床结构发育程度之间相互制约。对同一河段,当水流功率不变时,推移质输沙率和河床结构发育程度之间在对数坐标下基本呈线性负相关关系。     

均匀无黏性泥沙起跃概率及输沙率公式

为了探索泥沙颗粒位置对泥沙起跃概率的影响,基于前人对泥沙起跃概率的研究,引入床面泥沙隐蔽角概念。在计入水流瞬时作用流速随机性及床面泥沙随机分布特性的基础上,考虑了泥沙上游支撑颗粒对研究颗粒作用水流的遮蔽作用,基于跃移起动模型,推导出一个新的泥沙起跃概率计算公式;将其引用到Engelund推移质输沙率模型中,得到了新的推移质输沙率公式。经与经典实验资料及其他公式对比分析可知,公式具有考虑因素全面、结构简明、计算精度高等特点,可适用于低、中、高不同强度输沙率计算。     

泥沙输移问题研究进展与展望

泥沙输移问题一直是国内外泥沙学者研究的热点问题。通过回顾推移质泥沙起动输移特性、悬移质运动规律,分析阐述了泥沙输移领域的一些主流研究成果、存在的不足及今后研究的热点及难点。认为近底瞬时作用流速、床面泥沙非均匀性及床面泥沙随机分布规律仍将是当前及今后研究的热点和方向;群体泥沙颗粒间的相互作用是揭示推移质群体运动机理的重要基础及前提;悬移质泥沙输移理论尚不成熟的主要原因,仍然是对泥沙颗粒悬浮、扩散与交换机理认识不清。     

颗粒非均匀性对推移质输移影响的试验研究

非均匀推移质运动是一个复杂的物理过程,输移量的确定、关键影响因子的辨识、内在作用机理的把握等基本规律的研究尚不充分。基于此,本文开展了系列精细水槽试验,结合高速摄像、图像识别技术,获取了非均匀推移质输移、颗粒拣选度变化等过程的动态监测数据。引入非均匀泥沙粗细比η,反映床面粗糙度、黏性底层与床面泥沙特性在内的综合水流强度函数Ψb,特征傅氏数Frb等参数,采用量纲分析与数值拟合相结合的方式,研究了不同粗细比的非均匀推移质输移规律。分析表明颗粒的非均匀性是影响推移质输移的关键因子,对粗颗粒输移量及全沙输移强度影响至关重要;推移质输移率与颗粒粗细比、水流强度呈紧密依存关系。     

卷首语

正人才是科技事业发展的根本。中国水科院一直十分重视人才队伍建设,特别是"十三五"期间,实施人才强院战略,首次推行"五大人才"计划,即在全院实施创新领军人才和创新团队建设计划、三型人才培育计划(基础研究型、技术研发型、产品开发型)、新人助推计划、高层次人才引进计划、国际复合型人才培养计划。通过连续五年的稳定支持和人才分类评价,科研人员创新活力不断增强、优秀人才不断涌现,取得了丰硕的创新成果。     

图像处理技术在推移质运动颗粒参数提取中的应用

非均匀推移质颗粒运动规律一直是泥沙研究领域的难点,提取非均匀推移质颗粒的参数信息则是推进该难点研究的基础性工作。通过进行粗化床面非均匀沙水槽试验,拍摄了大量的泥沙颗粒运动视频,选取其中部分视频进行处理和研究:先通过图像转换软件将拍摄的视频转化为图片;然后利用图像处理技术对泥沙颗粒运动图像的空间变化特征进行识别,对转化后的图片进行畸形矫正和背景除噪;最后通过选取合理阈值将图片上泥沙颗粒提取出来,并计算泥沙颗粒粒径、体积等相关参数信息。研究成果可为获取推移质颗粒输沙运动基本信息提供基础,为非均匀推移质输沙机理研究提供更科学、完善、可靠的数据。     

Effect of upward seepage on bedload transport rate

The paper presents an investigation of injection effects on the bedload transport rate. According to dimensional analysis, two dimensionless groups, an Einstein＇s parameter group and a modified densimetric Froude number group, were chosen to examine how injection affects the bedload transport rate. Experimental studies were conducted in an open-channel flume with an upward seepage zone. The sediment particles used for the test were 0.9 mm in diameter. The experimental results show that an increase in the injection velocity causes a reduction in the shear velocity excess, which is defined as the difference between the shear and critical shear velocities, leading to a reduction in the bedload transport rate. The equation for predicting the bedload transport rate in the presence of upward seepage was derived empirically. The proposed prediction method is suitable for engineering practice, since it only requires the undisturbed flow condition, properties of sediment particles, and the injection velocity.     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础。本文开展了粗化床面条件下的水槽试验，分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化，并与已有均匀沙试验进行了对比。结果表明，粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体，形成比平整床面更复杂的底部边界，粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响，颗粒在运动过程中与水流动量交换强度大，泥沙颗粒运动与均匀沙试验“类弹道扩散”存在一定差异；受床面结构影响，部分颗粒表现出较强的横向运动，颗粒的横向扩散特性与流向扩散特性类似。与均匀沙平整床面不同，粗化床面上颗粒运动可能会相应改变床面结构，从而改变水流底部边界条件，进而对泥沙颗粒运动造成影响，泥沙颗粒运动存在较明显的记忆效应和反常扩散现象。     

泥沙起动条件分析及推移质输沙率公式

基于床面均匀泥沙颗粒相对位置关系,确定了瞬时作用流速及有效作用高度,建立了平坡泥沙起动条件与床面泥沙暴露度的关系。从理论上分析得到,泥沙跃移起动要求水流条件最高,滚动起动及滑动起动取决于泥沙颗粒的暴露角,且暴露角θ不随拖曳力系数C_D和上举力系数C_L的变化而变化。当暴露角θ小于42.8°时,泥沙更易于滚动起动;当暴露角θ大于42.8°时,泥沙更易于滑动起动。在此基础上,推导出了考虑两种起动模式的起动全概率公式,建立了床面推移质单宽输沙率公式。通过经典的推移质输沙率实测资料验证及误差计算表明,公式结构合理,计算精度较高,对于高、中、低输沙率都具有较好的适用性。     

Measurements of the sediment flocculation characteristics in the Three Gorges Reservoir,Yangtze River

The flocculation of fine sediments in the Three Gorges Reservoir (TGR) was confirmed in previous studies, but the flocculation characteristics have yet to be fully clarified. In this study, field measurements were conducted in the TGR to investigate the sediment flocculation characteristics. First, the instantaneous flow velocity and sediment concentration were measured through Acoustic Doppler velocimeter and sediment sampling. Then, the effective settling velocity was calculated based on the sediment diffusion theory to deduce the floc size and flocculation degree. Finally, the influences of particle size, flow velocity, and sediment concentration on flocculation were analyzed. Results showed that flocculation occurred in more than half of the sediments in the TGR, and the maximum flocculation degree was between 10 and 30. Flocculation weakened as particle diameter increased, with the critical particle size being approximately 0.018 mm, meaning that flocculation was unlikely to occur when the particle size exceeded the critical value. As the flow velocity increased, the flocculation degree first increased and then decreased, with the critical flow velocity being approximately 0.7 m/s, but the critical flow velocity increased with an increase in sediment concentration and tended to be a constant. The flocculation degree also increased with increasing sediment concentration and tended to be constant when the sediment concentration exceeded approximately 0.5 kg/m³. The results provide new information on the flocculation characteristics of the TGR and should be useful for understanding and simulating fine sediment transport in the TGR.     

排沙漏斗悬板径向坡度对流场影响的试验研究

为了弄清楚溢流悬板径向坡度改变对排沙漏斗流场的影响,通过物理模型试验方法,利用粒子图像流场测速技术(PIV)对悬板径向坡度分别为0、0.087、0.173、0.259时的排沙漏斗模型三维速度场进行了量测,并结合排沙漏斗工作原理对各工况下的切向速度、径向速度、垂向速度及流线进行了对比分析。结果表明:随着悬板径向坡度增加,漏斗室内旋流强度增大,空气涡面积增大,排沙耗水率降低,泥沙颗粒向室内运动机率增大,淤积在悬板上的可能性减小;悬板坡度对漏斗室内的二次流强度和形成位置影响较大,其中坡度为0.173时二次流最为稳定,坡度为0.259时,无二次流形成,不利于底部泥沙输移至排沙底孔;垂向速度分布结果表明坡度为0.259时过渡区垂直向上流速较少,泥沙落淤悬板或者随流溢出的机会最小,但垂直速度相比切向速度和径向速度而言较小,且过渡区范围很小,对悬板落淤和截沙率的影响可以忽略不计。     

冲泻区形态动力学耦合模型研究Ⅰ:分段输沙率公式建立

海岸泥沙运动的床面推移质输沙率公式多采用修正的单向流泥沙输运的计算公式,难以描述近岸带往复急变非恒定流作用下冲泻区床面泥沙运动规律及其力学机理。本文在总结分析3家冲泻区泥沙运动希尔兹参数修正公式的基础上,对比分析垂向流速、岸坡、渗流等因素对岸滩形态改变的影响,提出符合冲泻区水沙动力特征的瞬时希尔兹参数修正公式,确定了公式所含参数的计算方法,建立了表征冲泻区泥沙运动的推移质分段输沙率公式,并基于理论分析设计水槽实验对公式参数进行计算,拟合得到的分段参数L表征量位于低冲泻区和中冲泻区的衔接处。结果显示,分段进行冲泻区推移质输沙率的计算是可行的,为后续岸滩形态动力学模型的建立奠定了基础。     

非均匀推移质瞬时输沙率试验研究

推移质输沙率是泥沙运动力学的重要内容。目前,推移质输沙率的研究大多集中于时均输沙率,对瞬时输沙率的研究则相对较少。首先,介绍了Ballio提出的均匀沙瞬时输沙率的计算方法,对其进行推导得到非均匀沙瞬时输沙率计算公式;其次,通过非均匀沙水槽试验中得到不同颗粒泥沙的瞬时运动速度,代入改进的Ballio输沙率公式中,计算得到瞬时输沙率;然后,采用定义方法计算瞬时推移质输沙率,并与Ballio方法进行比较,结果表明两种方法得到的推移质瞬时输沙率较为接近,说明采用改进的Ballio方法计算非均匀推移质瞬时输沙率是可行的。同时,通过大量试验,揭示了非均匀推移质瞬时输沙率在时间上不稳定性、在空间上不均匀性以及运动过程中间歇性等特性。     

排沙漏斗悬移质泥沙运动数值模拟

排沙漏斗是一种利用立轴旋涡实现水沙分离的二级排沙设施。为了探明排沙漏斗悬移质泥沙运动特征和排沙机理,采用欧拉-拉格朗日方法模拟了排沙漏斗水气沙三相流动,其中水相和气相采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法描述,悬移质泥沙用颗粒轨道模型描述。通过对计算的悬移质含沙量垂向分布与实验结果的对比,验证了数学模型的可靠性。计算结果表明:在漏斗室外侧区域含沙量分布整体上较均匀,在漏斗室内侧区域的近底部存在一个明显的高浓度带。作者认为,上述排沙漏斗悬移质泥沙含沙量分布特征主要是由排沙漏斗内的二次流引起的。