有植被河道的水力特性研究

利用三维超声波多普勒流速仪(ADV)量测有植被时水槽不同测点位置的瞬时流场。分析了测点位置和水深与植被高度比对时均流速分布的影响。试验结果表明植被层上下水流结构复杂,柔性植被的存在使垂线流速降低,所测得的流速分布在植被层顶部附近呈现“<”形状,在植被区域内部流速分布近似为“3”形。分析了植被区水流紊动强度和雷诺应力的垂线分布情况。水流紊动强度和雷诺应力在植被区域的上层相对较大,说明在该处发生着剧烈的质量和动量交换以及很强的剪切作用。     

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。     

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。     

变断面明渠柔性植物水流特性试验研究

在变断面明渠,利用ADV测量流速,研究断面突然扩大情况下模型植物和真实植物的水流特性。结果表明:在水流稳定区域,布设真实鸢尾草和塑料鸢尾草模型的流速分布、雷诺应力分布和紊动强度分布具有一定相似性;雷诺应力和紊动强度在相对水深为0.6～1.1区域达到峰值,且从峰值区域向两端递减,总体上植物下部区域的紊动强度比植物上部区域大;同种植物紊动强度沿x、z方向的分布形式存在较大差别,紊动强度存在明显各向异性。     

密排粗糙床面明渠水流的紊动特性

为揭示密排粗糙床面对明渠水流紊动参数的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了加糙后紊动强度、雷诺应力和紊动能等参数的变化特征。结果表明:床面粗糙对紊动参数的影响主要体现在内区,而外区紊动参数的变化相对较小。加糙后纵向和垂向紊动强度相对值u'~+、v'~+在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re_*越大,v'~+越大,而u'~+越小;床面粗糙对内区水流有抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用;床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向。加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。不同工况紊动能相对值E~+在内区差异明显,随着相对水深η的增大,E~+差异逐渐减小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大,内、外区紊动能变化与床面粗糙抑制水流纵向紊动强度和加强质点垂向混掺作用等因素有关。     

明渠高含沙水流的两个重要特性研究

本文从三维恒定雷诺方程式出发导出了计算二维均匀明渠高含沙水流紊流极限切应力τＢＴ的公式．公式中包含了紊动扩散系数εｍ，并通过分析天然河道实测资料和室内水槽试验资料研究了εｍ沿垂线分布的规律，结论是明渠高含沙水流的紊动扩散系数εｍ沿垂线分布规律和低含沙水流的类似，在河底处εｍ为０；在河底至相对水深０．２范围内εｍ随水深增加而变大，在相对水深０．２至水面范围内εｍ为常数．用所得τＢＴ计算公式对部分天然河道实测资料进行验算，大多数明渠高含沙水流属紊流流态，不存在紊流极限切应力τＢＴ     

桩群排列方式对水流结构特性的影响

利用室内水槽试验模拟了桩群不同排列方式工况下水流的运动规律,借助三维超声波多普勒测速仪(ADV)量测了不同断面、不同垂线、不同测点的时均流速,得到了不同工况下的流速分布、紊动强度、雷诺应力,并分析了它们的变化特征。结果表明:桩群使流速重新分布,在桩群区与非桩群区交界处流速明显减小,且桩群布置密度大时,水流绕流流速最大;当桩群排列方式改变时,各断面的三向紊动强度都会发生较大改变,但是对于某一方向上的紊动强度各断面仍有一定的相似性;修桩后雷诺应力分布规律有所不同,水流上侧的雷诺应力较大;桩群排列方式的改变不仅使雷诺应力沿程变化较大,而且改变了雷诺应力时均值的大小及最大值出现的位置。     

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.     

含柔性沉水植物明渠水流运动特性试验研究

采用激光多普勒流速仪(LDV)试验研究含柔性沉水植物的水流运动。试验结果表明:流速沿垂线分布呈S形,分为3个区域,即植物内部区、过渡区和上部区。植物密度对过渡区内流速影响显著,在该区内,植物密度越大则流速梯度越大。含植物水流的紊动强度和雷诺应力都明显增大,它们在垂线分布上有相似之处,都是在植物顶层的位置上达到最大值,说明在此区域内存在较强的能量交换和剪切作用;二者在植物顶层上部区域随着水深的增加而减小,在植物内部区随着水深的增加而增大。     

常曲率U型弯道水流紊动特性试验研究

采用三维声学多普勒流速仪,对水流三维流速进行了采集,对弯道水流的脉动进行了统计分析,研究了典型断面的紊动强度、紊动切应力、紊动能的分布。试验结果能够很好的揭示弯道水流的三维特性及分布规律。研究成果为进一步研究水流的紊动结构及泥沙的运动机理提供了参考资料。     

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。     

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。     

生态河道种植圈对水流水力特性的影响

采用三维超声波多普勒测速仪对河道生态修复中种植圈布设前后的工况量测，比较了布设种植圈前后的流速分布、紊动强度和雷诺应力的变化．结果表明，布设种植圈后，纵向流速分布波动明显，相对紊动强度和雷诺应力均略有增加．     

推移质运动对清水和宾汉体泥浆湍流结构的影响

通过试验研究了清水湍流和泥浆湍流中加入推移质后时均流速分布、脉动强度、概率密度分布、相关系数、频谱密度分布等的变化.试验结果证明,清水和泥浆湍流中加入推移质后时均流速减小,时均流速梯度增大,脉动加强.泥浆过渡区湍流上部为层流,有流核,加入推移质后,上部层流转变为湍流,流核消失.分析证明,这是由于推移质运动增大了雷诺应力和时均流速梯度,因而增大了时均流动向脉动传递的能量的缘故,清水湍流中加入推移质后脉速概率密度分布偏离正态,偏态系数加大.泥浆湍流中加入推移质后相关系数降低,脉动的随机性增大.泥浆湍流的脉动能量集中于低频脉动.由于推移质也可以吸收低频脉动能来支持其运动,所以加入推移质后泥浆湍流的低频脉动能量降低,高频脉动能量增大.     

Turbulence near a sandbar island in the lower Missouri River

River turbulence is spatially variable due to interactions between morphology of rivers and physical mechanics of flowing water. Understanding the variation of turbulence in rivers is important for characterizing transport processes of soluble and particulate materials in these systems. We present an exploratory effort to understand ecologically relevant flow patterns using measurements of mean flow and turbulence in a highly engineered river channel around an island in the lower Missouri River. Specifically, the profiles of mean river velocities were investigated to examine the logarithmic relation and associated parameters, including shear velocity and bed roughness. Turbulence intensity and Reynolds shear stress were compared with classic open-channel profiles and previously reported river data in the hydraulics literature. With the capability of pulse-to-pulse coherent Doppler velocity profiling in high spatial resolution, we estimated the profiles of turbulence dissipation rate using resolved one-dimensional velocity spectra. These measurement data allow us to examine the validity of turbulence production-dissipation balance and the classic open-channel profiles of turbulence statistics, including turbulence intensity, Reynolds shear stress, dissipation rate, and eddy viscosity. The field data show a strong variation of turbulence profiles in close vicinity of the river island. In shallow water depths close to the island, turbulence is substantially enhanced in comparison with classic open-channel profiles. Such turbulence enhancement is likely attributed to non-uniformity of the flow structures.