推移质平衡输沙率公式研究

将确定性方法和随机性方法相结合,以单位时间内单颗粒泥沙的交换次数代替交换时间,基于颗粒受力平衡推导了推移质颗粒的平均运动速度。结合Bagnold水流功率和Einstein起动概率的基本概念,推导了一个推移质平衡输沙率公式。该公式的系数在临界起动时较小,但随水流强度的增加而增大,从而避免了诸如Meyer-Peter、Einstein、Bagnold、Yalin及Engelund等经典推移质公式难以兼顾低强度和高强度输沙率计算的问题。利用经典的推移质输沙率实测数据检验了本文公式,表明该公式具有较好的适用性。     

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.     

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...     

藻类残体颗粒的沉降特性与模型材料选择

南水北调中线干渠中藻类残体随流运动,容易在退水闸、分水口等突扩断面位置沉积,需要经常进行清淤工作。本文应用PTV粒子追踪测速技术,通过1组工况的藻类残体颗粒静水沉降试验和24组工况的不同模型材料、不同粒径的静水沉降试验,研究藻类残体颗粒的沉降和比重特性,探究不同模型材料沉降特性,并选择适宜野外漂流示踪试验的模型材料。结果表明,藻类残体颗粒的静水沉速为0.008 m/s,在水中的比重为1.004。同一比重的模型材料,粒径越大静水沉速也越大。相近或相同粒径的模型材料,比重越大静水沉速也越大,比重较小的模型材料,静水沉速随粒径增长的斜率较小。奇亚籽的平均粒径为3.5 mm、平均比重为1.05、平均静水沉速为0.017 m/s,其物理属性和水动力属性都与藻类残体颗粒相近,可作为南水北调干渠等藻类残体颗粒的野外漂流示踪试验材料。研究成果可为南水北调中线干渠的藻类防控与高效清淤提供技术支持。     

青衣江梯子岩站实测推移质输沙率与水流功率关系的分析

基于水流功率的概念,文中对卵石推移质输沙率进行了探讨.本文把水流功率定义为推移力与平均推移速度之积.在推移速度的计算中,从作用力平衡的原理出发推导了颗粒推移速度的公式.按照颗粒的重量和投影面积关系,得到了床沙的面积级配关系曲线.根据这一曲线,水力因素和最大可动粒径.可知运动颗粒的面积百分比,然后计算推移力. 文中详述了分析的方法和步骤.最后根据青衣江梯子岩站的实测资料,得到了卵石推移质单宽输沙率与单位面积水流功率的关系.     

非均匀推移质运动参数提取

推移质运动机理复杂,准确提取推移质颗粒运动参数为推移质运动的微观理论研究提供基础。本文以水槽试验拍摄的视频为基础资料,通过一定方法对其做一系列的处理,将视频中运动推移质颗粒标记出来,得到推移质颗粒的位置坐标,文中给出了由原始视频到提取出推移质颗粒位置坐标的详细过程:通过编程等手段计算出推移质颗粒的一些运动参数,如粒径,运动位移,运动速度,运动和静止时间,对提取结果进行展示,并给出这些参数随时间的变化过程。     

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。     

粗颗粒在粘土浆液中的沉速

颗粒的沉速是泥沙运动中的一个重要参数。诸如悬移质泥沙含沙量的垂线分布和沉淀落淤速度、悬移质与推移质的判别和相互交换……,都与这一参数密切相关。已有的研究表明,颗粒的粒径、比重、形状以及容器的边壁、含沙量等都对颗粒的沉速有影响。对于一定粒径、比重、形状的颗粒说来,含沙浓度特别是粘土颗粒含沙浓度的大小对其沉速的影响最大。天然河流的高含沙水流多数可以看成是粘土浆液挟带粗颗粒泥沙的运动。因而,粗颗粒在粘土浆液中的沉速是高含沙水流研究中的一个基本问题。本文将着重研究这一问题。     

基于高速摄像技术的推移质床面沙条带结构试验研究

本文开展推移质平衡输沙试验,基于图像处理、PTV方法和卡尔曼滤波算法,分析床面推移质泥沙颗粒运动规律。在此基础上使用SFM方法重构床面三维地形并与颗粒运动对比,以研究推移质运动与紊流相干结构相互作用机理。结果表明:(1)通过本文方法,可从颗粒尺度较好识别推移质运动轨迹,为推移质运动机理研究提供新思路。(2)一定水流强度条件下(Θ=0.048,0.06),推移质运动强度在床面沿横向方向存在高低间隔的带状结构,水槽中间区域明显,至水槽两侧结构逐渐消失。(3)床面形成交替间隔的沙脊和沙垄结构时,沙垄区域推移质运动强度大,沙脊区域推移质运动强度小。(4)流向涡模型能够很好地解释推移质运动强度及床面沙脊沙垄结构沿横向间隔分布的特征。推移质床面沙条带结构和大尺度流向涡结构相互耦合,形成稳定的时间平均尺度床面结构。     

应用PTV粒子追踪测速技术的鱼卵运动试验研究

鱼卵运动研究是了解自然河流中鱼卵漂流散布规律的力学基础,对鱼类早期资源估算、产卵场位置推算和鱼类栖息地修复等具有重要意义。本文应用PTV粒子追踪测速技术,通过20组不同水深、不同流速工况的水槽试验和200组鱼卵粒子群(直径为4 mm,比重为1.01)运动视频的图像处理,并结合理论推导解析鱼卵运动方程,系统分析了恒定均匀流条件下的鱼卵运动特性、主要影响因素及其作用机理。结果表明,鱼卵运动的主要影响因素为水流速度、鱼卵比重、鱼卵粒径和鱼卵初始速度。鱼卵纵向速度随水流纵向速度线性增大,其试验拟合结果为水流纵向速度的0.73倍;鱼卵垂向速度(沉速)主要受鱼卵比重和粒径的影响,与水流纵向速度无直接显著关系;鱼卵运动轨迹在小流速情况下近似线性下降,且轨迹斜率随流速增大而趋缓;当流速增大到0.93 m/s,鱼卵轨迹受水流紊动效应影响转变为伴随着个别鱼卵猝发跃移的波浪翻滚式下沉;水深对鱼卵运动速度和运动轨迹的影响相对微弱;鱼卵初始速度对其运动的影响仅在初始极为短暂的时间内。     

泥沙起动流速的随机分析

泥沙起动流速是河流泥沙动力学基本概念之一,对泥沙运动及河床冲淤变形研究有着重要意义.天然河流中的泥沙运动多处在紊流状态下,其影响因素极其复杂,具有显著的随机性.本文在总结前人研究成果的基础上,从流体力学层面论述了以作用于泥沙颗粒上的局部流速表示泥沙起动流速的合理性,进一步拓展分析,指出了以往公式的不足,给出了以局部点流速表示的包括散粒体与粘性颗粒在内的全沙起动流速公式,继而与各家公式作了对比;基于随机理论,给出了泥沙普遍动、少量动、个别动的判据,并将均值流速概率化,扩展了泥沙颗粒起动的范围与认知.     

恒定流中泥沙运动速度实验

泥沙颗粒运动速度与水流运动速度是不一致的,进而会对水流输沙和河床演变产生影响。通过采用粒子追踪测速方法(Particle Tracking Velocimetry-PTV)和粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry-PIV)测量了水槽中2种粒径的泥沙颗粒运动速度及相应的水流运动速度。实验结果表明,泥沙颗粒运动速度沿垂线分布与水流速度不一致,在对数区,泥沙颗粒的运动速度略小于水流的速度,泥沙运动滞后于水流运动;在近壁区,泥沙颗粒的运动速度大于水流速度,且在本实验的粒径范围内,随着泥沙颗粒粒径增大,泥沙颗粒的运动速度也随之增大。     

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。     

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。     

一种塑料模型沙运动特性试验

对一种复合塑料模型沙的水下休止角、群体沉速、起动流速等运动特性进行了试验研究:使模型沙在静水中自然落淤成丘,通过几何关系可得水下休止角;将沙样按粒径分组进行单颗粒沉速试验,统计平均后再按质量加权得到模型沙群体沉速;在玻璃水槽中对5种水深下的泥沙起动流速进行了测量及经验公式验证。试验结果表明:该模型沙水下休止角为28.4°,较传统塑料沙、水下休止角范围大,具有较好的水下成形特性;对于该模型沙,其单颗粒沉速用W.W.Rubey公式计算精度较高,但群体沉速用中值粒径进行经验计算则精度不够,合理的代表粒径有待进一步研究;起动流速比传统塑料沙大,这与水下休止角试验是相符的,通过调整沙莫夫系数K,沙莫夫公式可较好地表述个别起动和少量起动的情况,大量起动时则不够精确。     

点源渗流作用下泥沙起动试验研究

通过自行设计试验装置,完成不同粒径原型沙在不同渗透力下的泥沙起动流速试验.结果表明:随着渗透力的增大,起动流速有下降趋势;在相同的渗透力下,粒径越大,泥沙起动流速下降的绝对值幅度越大;其原理是渗透力使泥沙颗粒产生部分失重,导致泥沙的等效密度下降,最终使泥沙起动流速下降.为渗透力起动泥沙在水流拖曳力作用下高效输送泥沙提供...     

斜坡上泥沙起动流速统一公式的建立

为了建立斜坡上泥沙起动流速的统一公式,基于概率论与力学相结合的方法,考虑了细颗粒泥沙之间的黏结力及附加下压力对泥沙起动的影响,引入起动概率与附加质量力,采用滑动起动模型,从理论上推导了该统一公式,包括近底作用流速和垂线平均流速。通过实测资料验证,该公式的计算结果与实测数据符合较好。与其他公式相比,该公式形式简单,计算精度较高,可以用来计算斜坡及平坡条件下黏性、非黏性泥沙的临界起动流速。     

岩屑组成对高位滑坡-碎屑流运动特性影响离散元模拟研究

采用三维颗粒离散元模拟方法,对4种由不同粒径碎屑颗粒组成的岩屑滑坡运动过程进行全程数值模拟,研究了碎屑粒径组成对于岩石碎屑滑坡的运动特性影响。结果表明:碎屑颗粒粒径组成对岩石碎屑滑坡的运动总时间和达到速度最大值的时刻没有影响;物源碎屑粒径的组成对滑坡运动速度、破坏力和滑动距离影响大。粒径组成越不均匀,滑坡运动速度和破坏力越大,滑动距离也越远;碎屑流物源前缘部分是滑坡-碎屑流灾害影响范围大小的控制性因素。成果可为岩石碎屑滑坡灾害的预测和评估提供参考。     

含植物明渠紊流流速分布无量纲化方法及流动分区

基于流速分布曲线的几何特点,提出一种新的无量纲化方法,结合水槽实验数据的回归分析,对含植物明渠紊流流速分布律及流动分区进行了研究。基于流速梯度变化率的特点,确定两个特征高度,采用特征高度、特征高度位置处的流速、水深、最大流速4个变量定义了新的无量纲流速和高度,对实验得到的流速数据进行无量纲化处理,进一步拟合得到流速分布律。结果表明,提出的无量纲流速在自由水面附近呈对数分布,对数分布律区域以下到床面的区域可用4段函数表示。根据分布律适用的区域明确流动分区边界,发现边界高度与特征高度并不重合,但和混合层的上下边界近似相等。与其他研究的对比表明,提出的无量纲化方法和流速分段函数分布律以及流动分区对速度描述有效,具有较好的适用性。     

地下水源热泵回灌过程颗粒迁移-脱离模型及堵塞区判定

开展多孔介质中悬浮颗粒的迁移-脱离过程研究对地下水回灌工程、注浆工程和石油工程等具有重要意义。以地下水源热泵工程为依托,提出了描述颗粒迁移-脱离过程的波浪状曲面模型,研究不同的粒径组合以及不同压力对多孔介质中颗粒迁移以及脱离特性的影响。在此基础上,采用Comsol对典型地下水源热泵工程进行模拟,揭示了不同粒径及压力分布条件下回灌堵塞区分布规律。结果表明:在相同颗粒粒径组合(相同临界速度)下,压力越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越大;在相同压力下,临界速度越大,可以脱离的悬浮颗粒的范围越小;其他条件相同时,位置离抽水井和回灌水井越近,压力越大,渗流速度越大,悬浮颗粒越容易脱离。