垂直点阵集沙仪的集沙效率

垂直点阵集沙仪是挟沙气流中输沙量垂线分布测量的主要仪器，各类垂直点阵集沙仪的集沙效率有所不同，因而相应获取的实测资料之精度也差异较大，作者将大量实测输沙量垂线分布数据与获取这些数据的集沙仪类型相联系，分析了各类垂直点阵集沙仪的集沙效率。发现在近床面区各种集沙仪的集沙效率都较低提出了“集沙效率指标”。即用近床面区实测输沙量分布与上段输沙量确定的分布在近床面区外延计算值之间的偏离程度来反映各种集沙仪的集沙效率变化特征，在风速和沙粒粒径相似的条件下，集沙效率指标值越大，对应的集沙效率也越高，单管集沙仪的集沙效率最高，一般点阵式集沙仪的集沙效率次之，台阶式点阵集沙仪的集效率最低。集沙效率指标随集沙仪类型的变化主要受集沙仪中单个进沙口高度影响，反映了集沙仪内部排气状况的重要性。通过对气流速度和沙粒粒径等因素对集沙效率影响的讨论，提出了可以通过改善近床面区集沙条件，减小集沙进沙口高度等方法来提高集沙效率的建议，这些对进一步研制高效的集沙仅都具有参考价值。     

风洞中挟沙气流水平集沙实验研究

过去对挟沙气流水平集沙的实验研究较少。在5种风速和2种沙粒粒径条件下进行了风洞水平集沙实验，发现沙粒降落量的分布特征由参考点沙粒降落量，沙粒平均最大跃移长度和“跃移－扩散”指数三个参数共同决定。其中，沙粒平均最大跃长度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而增大，“跃移－扩散”指数则呈相反的变化趋势。挟沙气流水平集沙实验研究是传统的垂直集沙研究的有益补充，对理解近床面层区的集沙效率也有参考意义。     

近床面区挟沙气流流速垂线分布特征

以测试参数较为齐全的挟沙气流风洞实验资料为基础，结合已有各家资料重点对近床面区挟沙气流流速垂线分布进行了系统的分析。在对近床面区沙粒跃移层内气流剪切应力分布的理论分析基础上，指出了该区的剪切应力由沙粒临界起动风速、沙粒垂直速度的垂线变化和输沙量垂线分布三者决定，并进一步导出了近床面区的挟沙气流流速垂线分布廓线方程，由该方程计算得到的结果与实测资料吻合很好，此外，研究还表明，Bagnold提出的不同风力条件下挟沙气流流速廓线聚焦于一点的观点基于正确，但这一点不宜作为跃移层内外风速廓线的分界点，实际失发界点高度是沙粒跃移层外气流摩阻速度平方的0．015倍；Owen提出的跃移层外层速廓线方程基本合理，但其中有效粗糙度公式中的系数C取值为0．04时更符合实测资料；来流速度相同的情况下，挟沙气流的摩阻速度大于清洁气流的摩阻速度。     

风沙流中沙粒粒度的垂直和水平分布特征

鉴于现有对风沙流中沙粒粒度分布特征的研究很少,本文通过风洞实验,在粗沙和细沙两种床面上、五种风速条件下,采集中垂线垂向集沙及其后水平方向集沙的沙样,并对沙样进行沙粒粒度分析实验。实验结果发现,沙粒粒度频率曲线形态为单峰偏态分布,并与其对应的床面沙粒组成有关。沙粒粒度的平均粒径在垂直方向和水平方向上,均呈指数递减;气流风速越大,平均粒径越大;当风速增加到一定程度时,气流对沙粒平均粒径变化的影响逐渐减小;沙粒在垂直方向上的平均粒径,均大于其对应的床面沙粒平均粒径。沙粒粒度的标准偏差,随着平均粒径的增大而增加。沙粒粒度的偏度系数和平均粒径的相关关系,与其对应的床面沙粒组成有关。由实验结果讨论得出,在非均匀风沙流的沙粒起动中,细颗粒沙粒的平均起跳速度大于粗沙粒,而粗颗粒泥沙的起跳率大于细沙粒。     

风洞边壁对挟沙气流流速分布的影响

鉴于现有挟沙气流流速分布研究中对风洞边壁影响的认识不足，本文通过改变风洞宽度的方法对风洞边壁的影响进行了探索性实验研究。在五种宽高比条件下，对风洞断面挟沙气流流速分布进行了测量。发现风洞边壁对挟沙气流流速分布有较为明显的影响。在风洞宽度比相同的条件下，断面内中垂线上的有效粗糙度系数大于其它垂线上对应的系数。从靠近边壁的垂线到断面中垂线，各垂线对应的跃移层内区及外区流速分布的上界高度、气流摩阻速度均逐渐增大。随着风洞宽高比的减小，断面内中垂直线上的气流摩阻速度与自由流速的比值以及受风洞边壁影响的气流厚度均增大。     

冲积床面形态及阻力的水槽试验研究

本文通过水槽试验,对中径为0.22mm的床沙,比较系统地研究了冲积床面形态及阻力规律.试验中观察到沙垄消亡时的床面形状比较规则,沿程分布比较均匀.试验结果表明,同一沙粒阻力条件下,沙波相对高度及陡度随水深增大而减小,床面形态过渡区,水流阻力不仅随沙粒阻力增大而减小,而且与相对水深有关.同一沙粒阻力的水流,其阻力系数随水深增大而减小,在床面形态过渡区,阻力系数相差不大,沙粒阻力是影响床沙质含沙量的主要因素.     

波状床面消力池的流速分布和壁面阻力系数

根据S.A.Ead和N.Rajaratnam(2002)对波状床面消力池流速、边界层厚度和壁面阻力的试验成果,通过对试验资料的分析,研究波状床面消力池断面流速分布和最大流速沿程变化的规律;根据边界层理论,研究波状床面消力池边界层的发展和壁面阻力系数的变化规律。研究表明:波状床面消力池的断面流速分布具有相似性和分区性,断面流速具有同一分布规律,各断面以最大流速为界,将其分为边界层区域和混合区域,在边界层区,流速沿垂线不断增大,在混合区,垂线流速不断减小;消力池的最大流速沿程逐渐衰减;波状床面消力池的边界层厚度远大于光滑壁面的边界层厚度;壁面阻力系数大于光滑壁面的阻力系数。提出了断面流速和沿程最大流速的计算公式和波状床面消力池边界层厚度和壁面阻力系数的计算方法。对所提出的公式与S.A.Ead和N.Rajaratnam(2002)的试验成果进行了对比分析,验证了计算方法的正确性。     

梯形分布漂石群边壁处水流结构实验研究

通过概化水槽实验模拟野外漂石群梯形分布床面,讨论了低淹没度下的梯形分布的漂石床面上的理论零点取值的变化和摩阻流速取值方法,分析了沿水槽中心到边壁附近的漂石床面上各垂线流速和水流紊动强度的变化,并进一步观察不同流量下,光滑壁面对其紊动强度影响效应的大小。研究表明,y/h在0.3―0.4时,流速分布大致符合对数分布,而在紊流主流区和近床面区,流速偏离对数分布,越靠近边壁,流速越小,且边壁对流速影响强度随着y/h的增加而减小。y/h大于0.4时,边壁效应强度随流量的增加而增加,边壁效应使得床面合紊动强度沿中心到边壁逐渐增加。     

非均匀悬移质输沙率

结合Jasmund-Nikurads对数流速分布和作者提出的非均匀悬移质含沙量垂线分布规律,建立了非均匀悬移质输沙率公式。公式为显式函数形式,结构简单,适用于非均匀沙任意粒级,对D_i=D_m且σ_D=1的均匀沙情形具有自适应性。考虑近底层床面至z=a处的输沙率,理论上精度有所提高。与以往积分形式的输沙率计算公式相比具有优越性。根据长江口2005至2012年实测水沙资料与计算结果的比较,两者符合良好。     

天然河湾悬沙浓度横向和垂线分布规律

通过对来家铺弯道的野外测验资料进行整理、甄别和筛选,从中选取具有代表性的3组断面数据,分析弯道内悬沙粒径和垂线平均浓度的横向分布规律,悬沙浓度沿垂线分布规律。分析表明,断面平均流速是决定弯道悬沙中值粒径粗细和平均浓度高低的主要原因,凸岸悬沙垂线浓度均值一般高于凹岸,浓度的标准差也大于凹岸;弯道中粗沙浓度均值和标准差均高于细沙浓度均值,粗沙的分组粒径浓度沿垂线分布比细沙更不均匀。     

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.     

水动力作用下太湖底泥的再悬浮通量

对太湖梅梁湾水体开展了两次野外实验，利用沉积物捕获器收集沉积物，研究了太湖悬浮物的沉降特征，计算了悬浮物的沉降通量和再悬浮通量，并建立了其与风速的关系。结果表明：太湖无机颗粒沉降是悬浮物沉降的主要形式。太湖平均风速在8m/s以内时，总悬浮物、有机物颗粒和无机物颗粒的沉降通量和再悬浮通量均呈现随风速增大而增大的特性，风速大小直接影响悬浮物在垂向的分布及垂向的沉降通量分布，并且相关性较好。该结论说明Gansith公式法适合于计算太湖再悬浮通量。     

不规则破碎波作用下堤前沙质海床冲刷形态研究

针对实际海湾是随机的情况。本文首次研究了不规则破碎波作用下直立堤前沙质海床的冲刷。通过水槽试验，揭示了不同水溶，不同波谱，不同粒径和不同海床坡订情况下堤前沙质海床的冲淤形态。     

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。     

PIV EXPERIMENTAL RESEARCH OF FLOW STRUCTURE IN RECTANGULAR CHANNEL WITH TRANSVERSELY PLACED SPIRAL COIL INSERT

The flow field in a rectangular channel with a transversely placed spiral coil insert is investigated by Particle Image Velocimetry (PIV) measurements in both transverse and longitudinal sections. The experimental results show that multi-longitudinal vortices are induced downstream of the spiral coil and are distributed as a symmetrical vortex array along the horizontal central line of the transverse section. Along the mainstream, due to the spiral motion of the longitudinal vortices, the velocity fluctuates in a manner of the damped sinusoidal curve and the velocity component in the wall normal direction is improved in the channel. Compared with the flow field in a smooth channel it is found that the movement of the longitudinal vortices can cause a continuous disturbance near the channel walls and thus enhances the fluid velocity in the near wall region, which consequently leads to the reduction of the velocity gradient and a more uniform velocity distribution. With the increase of the Reynolds number, the induced longitudinal vortices gain strength and become straighter and closer to the channel walls, thus the turbulence intensity is further enhanced in this area.     

湍流中泥沙垂线分布的力学解释

作者从泥沙垂向动量交换出发，分析了泥沙在紊流中由于湍流脉动产生的升力效应，并综合考察了非湍流脉动原因存在的升力以及在不同浓度下含沙水流中泥沙受到的有效重力，得到了基于力学角度的泥沙浓度垂线分布的关系式。在此基础上，通过对床面粗糙度、泥沙粒径和含沙量等影响泥沙浓度垂线分布有关因素的分析，探讨了挟沙水流中两种不同浓度分布类型产生以及转化的原因，并结合具体的试验资料对泥沙浓度垂线分布形态时行了计算和验证，取得了较好的结果。     

A NEW MEASURE FOR DIRECT MEASUREMENT OF THE BED SHEAR STRESS OF WAVE BOUNDARY LAYER IN WAVE FLUME

In this article, a shear plate was mounted on the bottom in a wave flume and direct measurements of the smooth and rough bed shear stress under regular and irregular waves were conducted with the horizontal force exerted on the shear plates by the bottom shear stress in the wave boundary layer. Under immobile bed condition, grains of sand were glued uniformly and tightly onto the shear plate, being prevented from motion with the fluid flow and generation of sand ripples. The distribution of the bottom mean shear stress varying with time was measured by examining the interaction between the shear plate and shear transducers. The relation between the force measured by the shear transducers and its voltage is a linear one. Simultaneous measurements of the bottom velocity were carried out by an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV), while the whole process was completely controlled by computers, bottom shear stress and velocity were synchronously measured. Based on the experimental results, it can be concluded that (1) the friction coefficient groews considerably with the increase of the Reynolds number, (2) the shear stress is a function varying with time and linearly proportional to the velocity. Compared with theoretical results and previous experimental data, it is shown that the experimental method is feasible and effective, A further study on the bed shear stress under regular or irregular waves can be carried out. And applicability to the laboratory studies on the initiation of sediments and the measurement of the shear stress after sediment imigration.     

风沙流中颗粒运动参数的分布特征

以风洞内颗粒高速摄影实验资料为基础，对颗粒跃移运动参数的分布及其跃移速度分布函数进行了探讨。研究结果表明，颗粒跃移的相对高度和相对长度的分布都不呈正态分布；降落角大致成正态分布，而起跃角则为非正态分布；颗粒起跃时水平速度，垂直速度和合速度的分布都呈非正态分布；随着跃移高度的增加，颗粒的平均粒径减小。速度分布函数是描述颗粒跃移统计特征的有效工具，具有修正指数形式或修正正态分布形式的概率密度分布函数都能较好地描述跃移颗粒的速度分布状况。