高分辨率粒子示踪测速技术在光滑明渠紊流黏性底层测量中的应用

在光滑明渠紊动水流的研究中,黏性底层具有重要的作用,壁面剪切应力与涡量均源于此流区。由于充分发展明渠紊流的黏性底层的物理尺度在0.1 mm量级,常规方法难以实际测量该区内的速度分布。本文构建了测量黏性底层的高分辨率HR-PTV与测量全流区的普通PIV的耦合测量系统,对光滑明渠紊流黏性底层的流动特性进行了研究。HR-PTV系统采用阈值递增法、灰度截断、椭圆度与充实度指标等方法进行图像处理得到清晰的粒子图像;使用匹配几率法对粒子坐标进行匹配,计算粒子速度。得到了明渠紊流黏性底层(0.3 mm以内)的平均流速、紊动强度、偏态系数和峰度系数的垂线分布。从拟合的平均流速分布得出摩阻流速u*,结果与牛顿流体本构方程一致;黏性底层与全流区的时均流速、紊动强度和雷诺应力均能用拟合所得的u*合理无量纲化,并能光滑连接,表明由此得出的u*适用于全流区。将明渠紊流的各种分布与封闭槽道流DNS数据进行对比,验证了HR-PTV在黏性底层所得各阶速度矩的准确性。     

明渠均匀流流速横向分布的涡黏性模型

为了研究明渠水流的运动特性,开展了明渠水流流速横向分布数学模型的研究。本文根据量纲分析方法和实验资料,得到水流横向剪切作用下横向涡黏性系数的关系式;基于均匀流的水流运动方程,按照有限差分方法,建立流速横向分布计算模型。该模型具有计算简单、快捷和精度较高的优点,且数值计算不受横向涡黏性系数的结构形式和断面形态的影响。采用明渠水流实验资料验证数学模型,数学模型计算的流速横向分布与实验资料较一致,具有较高的理论意义和应用价值。     

峡岛湍流海域水流力荷载计算方法探讨

与常规明渠流断面流速对数分布形态不同,外海连岛间海域断面流速呈现出复杂的分布特征,其主要原因在于凹凸不平海床面对海域流场分布有很大的影响。通过室内模型试验发现,峡岛湍流海域垂线流速基本呈二次抛物线分布形态,随后通过分析计算提出了以等效坡度为主因子的湍流流速分布公式。该公式计算结果与现场实测结果比较吻合,同时还给出了以抛物线分布形态为基准的水流力荷载计算修正系数。研究成果可为峡岛海域的工程结构设计提供参考。     

基于涡黏度模型的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解

冰盖的存在显著改变了河道水流结构，使流速垂向分布关于零切应力平抛物线面呈型。考虑到准确预测冰盖下水流流速分布是计算冰封河道流量、泥沙输移率和河床演变预估的基础，本文应用双层假定和冰盖流涡黏度模型，推导出一个物理意义明确且速度梯度连续的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解，并明确常见的冰盖流对数流速公式和双幂律流速公式的应用条件。采用水槽实测数据和原型实验数据，对比分析所提出的解析解与现有对数公式和双幂律公式的有效性和精确性，并基于本文解析解探究了纵向时均流速垂向分布对各物理特征参数的敏感性。结果表明，该解析解的流速计算值与实测值吻合较好且较现有对数公式和双幂律公式具有较高精度;雷诺数的较小变化并不会引起纵向时均流速垂向分布的较大改变，但流速分布对冰盖糙率与河床糙率的相对值比较敏感，且纵向时均流速的最大值偏向于较光滑边界一侧，该结论与以往基于k-ε湍流模型所得到的数值结果是一致的，再次证实了本文解析解的有效性。     

光滑壁面明渠陡坡流速分布特性

在分析激光测速试验资料基础上,对比了光滑壁面明渠陡坡中均匀流和非均匀流垂向流速分布在不同水力条件下的规律。陡坡均匀流中κ值比非均匀流条件下为小,非均匀流中S2型非均匀流的黏性底层厚度和过渡层范围均小于S1型非均匀流,并且拟合出适合陡坡均匀流和非均匀流的统一流速分布公式。     

适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好。当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式。应用所得公式,比较了明渠流、冰盖流、冰塞条件下的起动流速及可起动最大泥沙粒径关系,冰塞条件下起动流速最小,可起动最大泥沙粒径最大。2014年冰期黄河头道拐断面发生强烈冲淤变化,是冰花集聚形成冰塞引起可起动最大泥沙粒径增大所致。所得公式及所揭示机理,将为进一步深入研究河道冰期泥沙输移规律提供重要思路和参考。     

含收缩段明渠流的三维k-omega SST模拟

基于k-omega SST模型、结合多相流模型及流体体积自由水面捕捉技术对含收缩段的明渠流进行了三维数值模拟。模拟所得的不同位置处的流速纵向分布曲线与实验数据基本吻合,验证了该模型在含收缩段明渠流预测中的适用性。此外,利用该方法对流场的自由水面线、竖直流速分量、压力分布、水平流场等特性进行了分析与总结,并探讨可能的简化研究方法。     

光滑及粗糙壁面明渠湍流流动数值模拟

利用FLUENT软件对光滑及粗糙壁面明渠湍流流动进行数值模拟,分析了断面分区结构及流速分布、湍动强度分布、壁面切应力及摩阻流速。数值离散方法为有限体积法,自由表面的处理采用简单的"刚盖"假定,固壁面处理采用壁面函数法。将数值计算结果与物理模型试验结果作了比较,发现两者吻合得较好,表明FLUENT软件在计算明渠湍流过程中能够得到很好的模拟效果。     

底部有柔性水草的明渠流速及应力分布摄动解

本文提出明渠流中柔性水草的阻力公式,建立其明渠流速场、应力场运动方程式。分析表明:底部有柔性水草的二维明渠流的水流特性问题可用隐式条件的一阶常微分方程来表达,且可用摄动法求其解,所得结果与实验值基本吻合。     

明渠湍流发夹涡包形成及湍动能分布特性

湍流结构是湍流运动研究中最为基础的问题。为了解明渠湍流结构相互作用的动力演变关系,该文采用高频高分辨率粒子成像测速系统对充分发展的明渠湍流进行纵剖面二维流速矢量场进行测量,对发夹涡及发夹涡包结构与高低速流团的动力演变关系以及发夹涡结构内部的湍动能分布特性进行分析。结果表明:发夹涡及发夹涡包结构可以由高低速流团相互作用而产生;发夹涡涡核只位于高低速流团的交界区域。近壁区发夹涡结构的喷射(Q2)过程为产生湍动能的主要区域。而湍动能耗散主要集中在高低速流团的交界区域。明渠湍流近壁区为湍动能的主要产生与耗散的区域。     

Hydrologically Based Environmental Flow Methods Applied to Rivers in the Maritime Provinces (Canada)

The demand for water withdrawal continues to increase worldwide. These water withdrawals from rivers can affect fish habitat and aquatic life. As such, environmental flow assessment methods are used in order to protect rivers against excessive water withdrawals. The concept of environmental flow relates to the quantity of water required in rivers to sustain an acceptable level of living conditions for aquatic biota at various phases of their development. For many agencies, environmental flow methods are essential in environmental impact assessments and in the protection of important fisheries resources. The present study deals with the evaluation of hydrologically based environmental flow methods within the Maritime Province of Canada. In total, six hydrologically based environmental flow methods were compared using data from 52 hydrometric stations across the region. Some methods provided adequate environmental flow protection (e.g. 25% mean annual flow and Q₅₀ flow duration method); however, other methods did not provide adequate flow protection (e.g. Q₉₀ flow duration method and 7Q10 and 7Q2 low‐flow frequency). The 70% Q₅₀ method provided adequate flow protection only under good baseflow conditions and should be applied with extreme caution. The present study shows the importance of the hydrologic flow regime, particularly as it pertains to the baseflow component, as a significant determinant in the level of instream flow protection. © 2014 Her Majesty the Queen in Right of Canada. River Research and Applications © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

AN APPROACH IN MODELING TWO-DIMENSIONAL PARTIALLY CAVITATING FLOW

1. INTRODUCTIONCavitation is a phenomenon that widely occurs in liquids. When the flow leads to the local pressure below the saturation vapor pressure of water (the fluid medium, in our research), usually incipient cavitation firstly occurs on the solid b…     

Application of the ‘natural flow paradigm’ in a New Zealand context

The natural flow paradigm (NFP) emphasizes the need to partially or fully maintain or restore the range of natural intra‐ and interannual variation of hydrologic regimes to protect native biodiversity and the evolutionary potential of aquatic, riparian and wetland ecosystems. Based on our studies of natural and managed flow regimes in New Zealand, we do not believe that all components of the natural flow regime are necessary to achieve the objectives of the NFP, either partially or fully, because many aquatic species have very flexible niches and life‐history requirements (i.e. there is ‘ecological redundancy’). Obviously, maintaining the natural flow regime will maintain the hydrologic and hydraulic conditions necessary for sustaining natural ecosystems. However, if there is adequate knowledge of what ‘values’ need to be maintained in a waterway, and the aspects of the flow regime that are required to maintain those values are also known, then regimes can be designed that target these requirements and thus optimize conditions for the ‘values’. We believe that an assessment of ecosystem requirements using information on river processes together with habitat requirements and life‐history strategies of biota can achieve the best balance between resource use and sustaining ecosystem function and value, and show examples where changes to natural flow regimes have maintained, or even improved, instream values in some New Zealand rivers. We caution that simple flow‐based rules, such as those that might be developed under the NFP, could be unnecessarily restrictive on multiple use of water in New Zealand while, at the same time, preclude the opportunity for enhancement of key ecosystem values in many waterways. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

台阶式溢流坝中小流量流态改善方式研究

台阶式溢流坝有显著的掺气效果和消能效果,目前在中小型工程中广泛应用。但是台阶式溢流坝在小流量浅水深的工况下,坝面上流态较差,呈现跌流或者过渡流态,容易形成水翅和水流跃离现象。为了解决上述问题,本文结合某工程通过水工模型试验研究对台阶起始端的体型进行优化,结果表明优化方案能够很好地改善较小流量时的过渡流态。     

中小型泄水工程利用附着混合流消能问题的探讨

本文介绍了混合流的概念，结合某一中型水库的试验，观测了混合流在抬高尾水时的下游流态。流速分布的变化规律以及对消能效果的影响。从而说明了低水头泄洪建筑物利用挑流消能有更多的可能性。     

均匀来流中振动圆柱尾迹涡结构的数值研究

本文从涡量流函数形式的N-S方程出发,对于不同的振动频率、振幅,首次数值研究了均匀来流中沿任意方向(参见图1,0°相似文献   

ON THE CALCULATION OF FLOW OVER AND THROUGH A ROCK-FILL DAM

1.INTRODUCTIONInthedesignofanovertoppedrock--filldam,oneofthemajortasksistodecidethesizeofthedownstreamprotection.Theovertoppedrock--filldamismadeofporousmedia,thereforethewaterwillpenetrateintothedamfromtheupperfaceandemergeoutofitfromthelowerpart,whileitflowsoverthedam.Hence,theprotectionissubjectedtotheactionofboththeoverflowandtheseepageflow,andneitherofthemcanbenegligible.Inthiscase,theflowfieldconsistsoftwoparts:theopenflowandtheseepageflow,whichhavedifferentproperties.Infact,forthe…     

直槽流动失稳过程数值模拟的可视化

本文利用计算机可视化的方法对直槽流动的数值模拟结果进行了处理，得到了若干组显示涡量场和涡管运动变化的计算机动画，通过对这些直观的动画进行分析，发现了直槽流动失稳的一些现象，对于流动稳定性的研究具有一定的参考价值。     

无旋流研究

本文将变分法和流网相结合,从理论上证明了无旋流条件下流量达到极大值,并总结出流量达到极大值时,下游流动的两种表现形式:临界流和均速流。文中给出了下游流动分别为临界流和均速流两种情况下的7个实例。在无旋流条件下,应用本文的结果可以进行如下两种情况的计算:(1)利用求极大值来求流量;(2)当流量已知时,如果下游流动为临界流,则可求水深及流速;如下游流动为均速流,则可求流速等。