水力光滑明渠流流速分布的新公式

采用一个新的湍流黏性模型研究水力光滑明渠流的流速分布,得到的结果与以往在明渠中所测的实验数据吻合较好。基于这个湍流黏性模型,推导出一个新的光滑明渠流外部区域的流速亏损规律,该表达式可以推广到内部区域,并提出一种新的确定内部区域流速分布的近似方法。运用本文给出的公式计算结果与由多普勒激光流速计所测的实验数据吻合良好。在只给出平均流速和水深的情况下,根据本文给出的公式可求得内外区域流速分布。     

梯形渠道断面流速分布规律试验研究

梯形渠道以其过流能力大、输沙能力强和具有普遍适用的特点,已经在灌区得到广泛应用.经过对梯形渠道断面流速分布规律和试验研究,得出过水断面最大流速发生在液面以下.分析水槽实测流速资料,发现中垂线流速分布与对数律流速分布形式和抛物线形式拟合曲线都有一定的偏差.进一步分析引入尾流函数公式,得出拟合曲线交点处流速值近似等于过水断面的平均流速.     

淹没柔性植被明渠恒定水流水力特性研究

采用三维多普勒超声测速仪(ADV)对淹没柔性植被明渠恒定水流的水力特性进行了实验研究。采用羽毛来模拟天然河道的柔性植被,对不同的植被密度、不同淹没度和不同流量条件下柔性植被明渠恒定水流流速场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速和雷诺应力沿垂向的分布。分析表明,植被上层区域与植被区域水流表现出不同的水力特性,植被上层区域的雷诺应力近似为直线分布,纵向流速呈经典的对数律分布;而植被区域,纵向流速则呈“S”型分布。在分析植被上层水流雷诺应力与纵向流速的关系的基础上,利用普朗特混合长度理论推导了植被上层水流流速的理论表达式,理论公式所得结果与实测数据符合良好。     

明渠时均流速分布公式对比及影响因素分析

本文分析比较了明渠时均流速分布的对数律和尾流律公式，需要3个特定参数的尾流律与由2个参数确定的对数律相比没有优越性。深入分析了将尾流律应用于边界层流动和明渠流动时存在的差别。讨论了理论床面和最大流速的位置，认为爱因斯坦和钱宁确定理论床面位置的方法是合适的。在大量试验的基础上，得出了最大流速相对位置a／h与宽探比B／h的关系式。     

梯形渠道断面平均流速与单点流速关系研究

梯形渠道以其过流能力大、输沙能力强、施工简便的特点,在灌区得到了广泛应用。对梯形渠道断面平均流速与点流速间的关系进行了试验研究,发现过水断面最大流速点在液面以下,用对数律流速分布形式和抛物线形式拟合的中垂线流速分布曲线都具有一定的误差。进一步引入尾流函数进行分析,拟合曲线交点流速值近似等于过水断面的平均流速,平均流速点位于中垂线上0.12～0.13倍水深之间。     

三维水流的紊动结构特征

矩形断面中流动的水流，在边壁附近其特征表现为三维性。依据试验资料，论证了笔者提出的水力半径分割原则，在角区附近存在一条雷诺应力为零的曲线，二次流不穿越该线，两个方向相反的二次流分别存在于分割线上、下。在此基础上，从流速分布角度论证了水力半径分割曲线的存在；通过整理试验资料发现，同一根垂线上，当高度越过分割线时，其流速分布曲线偏离对数规律，需用另一区域的对数规律描述。并提出了断面流速的计算方法。     

基于分形理论的流速及含沙量垂线分布规律研究

明渠水流的流速分布和含沙量垂线分布规律目前大多是利用现代流体力学的基本理论结合一些假设得到的近似解,因而寻求更具理论基础更能与实际相符的公式一直是学术界研究热点问题之一。本文利用分形理论中自相似分形的标度律,研究了流速垂线分布和含沙量垂线分布的局部与整体之间的自相似现象,从而得到了二维明渠垂线流速分布和含沙量分布的规律。结果表明,基于分形标度律可以得到指数流速分布公式、对数流速分布公式及其它形式的流速分布公式;同样,基于分形标度律也可以得到含沙量垂线分布的Laursen公式、Rouse公式及其它形式的含沙量分布公式。     

全值域有定义的对数紊流流速分布公式研究

目前,声学多普勒流速剖面仪垂线流速盲区插补只能采用指数流速分布、常数流速分布两种模式,而对数紊流流速分布公式是基于动量传递理论推导出的垂线流速分布公式,该公式因在边界处(y=0)没有定义而应用不便。基于此,从天然河道的河床是由泥沙组成的非固定边界的实际出发,提出在边界面上液体质点仍然存在混掺运动的假设,借助动量传递理论推导出全值域有定义的对数紊流流速分布公式。并且采用宜昌水文站4条实测垂线流速对公式进行拟合验证。结果表明：该公式拟合得到的误差有正有负,最大误差为-3.66%,精度符合水文资料整编规范要求。推导出的公式在垂线水深的所有值域内有定义,该公式可为声学多普勒流速剖面仪垂线流速盲区插补提供一种思路。     

三维水流的紊动结构特征

矩形断面中流动的水流，在边壁附近其特征表现为三维性。依据试验资料，论证了笔者提出的水力半径分割原则，在角区附近存在一条雷诺应力为零的曲线，二次流不穿越该线，两个方向相反的二次流分别存在于分割线上、下。在此基础上，从流速分布角度论证了水力半径分割曲线的存在；通过整理试验资料发现，同一根垂线上，当高度越过分割线时，其流速分布曲线偏离对数规律，需用另一区域的对数规律描述。并提出了断面流速的计算方法。     

新的二维流速分布式

本文以 Prandtl 混合长度理论为基础,结合实测资料提出了一个新的二维流速分布式。该式具有现有流速分布式的优点,又能避免现有流速分布式的不足。本文明确指出,流速分布是否符合 Prandtl 对数流速分布律,这主要取决于雷诺数的大小。当雷诺数较小时,流速分布就符合对数流速分布。否则,仅能用本文建议的(12)式来描述二维流速分布。     

含植物明渠流动分区和特征尺度研究进展

植物是生态河流必不可少的要素之一。植物的存在,改变了水流的紊流结构。由于流动沿垂向具有较强的不均匀性,对于含植物明渠紊流统计特性的描述,至今未有公认的、统一的沿水深分布表达形式。因此,对含植物明渠流动分区和各区特征尺度的研究越来越受到重视。本文回顾了无植物明渠和含植物明渠流动分区及特征尺度研究的主要成果,重点对基于流速分布和紊流结构两种方法确定的分区和特征尺度进行了分析和总结。指出将涡结构与流动特性参数分布规律相结合进行流动分区,在各区确定合适的特征尺度,进一步探究分区界限及流动特征尺度的影响因素及具体影响,建立普适的紊流统计特性分布规律是今后含植物明渠紊流结构研究的重要内容和趋势。     

明渠自掺气水流发展区掺气浓度分布试验

本文对不同坡度、水深和流速的明渠掺气水流的掺气浓度进行了测量.通过对试验数据分析,发现掺气发展区断面掺气浓度分布曲线与均匀掺气区的差异在于前者下支浓度梯度很小.本文拟合了该无因次水深与佛汝德数的经验计算式,与试验数据吻合良好.     

单边突扩浅水回流水流结构研究

试验资料表明,回流段流速及底部切应力横向分布沿流向呈自相似性。根据相似原理,水深平均方程可化为常微分方程,经求解获得了无量纲速度剖面公式。验证表阴,速度剖面公式不仅适用于垂线平均流速剖面,而且也适用于沿水深各流层速度剖面。利用速度剖面公式计算的垂线平均流速场与实测值符合较好。拟合了无量纲切应力剖面公式,探讨了主回流区阻力分布规律。 此外,还分析了影响回流长度的因素,建立了回流长度经验公式。     

漫滩水流水沙运动规律的研究

本文根据漫滩水流的运动特点，将漫滩水流的复式断面分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等4个区，并给出了各区宽度的经验公式.根据滩槽交互区垂线流速分布的变化特点，提出了附加尾流函数的对数流速分布公式.在简化水流运动方程和泥沙扩散方程的基础上，对滩槽交互区内垂线平均流速及含沙量沿横向分布进行了理论分析，提出了反映滩槽水流动量交换强度的横向涡量粘性系数及横向扩散系数的表达式，得到了漫滩水流垂线平均流速及含沙量沿横向分布的解析解，并与实测资料吻合较好。     

EXPERIMENTAL STUDIES AND NUMERICAL CALCULATION ON TURBULENT BOUNDARY LAYER OF WATER FLOW ALONG CURVED SURFACE

This paper will introduce experimental studies and numerical calculation onturbulent boundary layer of water flow along curved surface in our country in recent years.Onthe basis of the experimental studies,the effects of curvature and roughness on velocitydistribution and pressure distribution and the change of turbulent flow boundary layer onoverflow bucket concave surface is discussed.We proposed the empirical formula of velocity,pressure and the change of turbulent flow boundary layer on outlet bucket concave.According tothe momentum principle,we have deduced the momentum integral equation full water depthboundary layer and using the element as control unit inside the boundary layer on concavesurface of bucket.Combining with continuity equation,we have computed the boundary layerdevelopment on the bucket of a spillway.Compared with the field experimental data,thecalculation results are available.Under polar coordinates,a mathematical model for simulatingtime-averaged flow characteristics in concave surface of bucket is established.The turbulent flowfield on concave surface of bucket is calculated by SIMPLE method and this mathematicalmodel.The flow velocity field,pressure field,distribution of turbulent kinetic energy,distribution of turbulent energy dissipating rate and distribution of shear stress are available.Thecalculation value is consistent with measured test data.     

堤防决口封堵的水力学特性

堤防决口抢险需以水流水力学特性为依据,封堵方法亦直接影响其封堵效率。首先对决口水流遇障碍物的洪水演进过程进行模拟,将水深计算结果与Biscarini等的试验数据进行对比,结果吻合较好,验证了数值模型的可靠性、准确性。以上饶市某一河道为例,基于FLOW-3D软件建立了堤防决口水流模拟的三维数值模型,对立堵法、平堵法封堵决口进行数值模拟,得到封堵过程中决口附近水位场和流速场分布规律。数值模拟结果显示:该堤防决口进口附近立堵法、平堵法块石前水位壅高明显,流速增大,最大水深分布在决口靠右位置,最大流速分布在决口靠左位置。根据决口附近流速分布规律,封堵时建议先对左侧决口堤脚进行裹头处理,而后可考虑采用大粒径块石单体抛投以降低流速,再采取群体抛投方式进占合龙。所用模拟方法和数值模型可为堤防抢险及制定堤防决口封堵方案提供参考。     

台阶式溢洪道水流能量特性的研究

为了研究台阶式溢洪道上水流能量特性,对坡比1:1.25不同台阶高度的台阶溢洪道进行模型试验,试验结果表明:台阶溢洪道上总水头沿程急剧降低;水流比能表现出沿程先增大后达到稳定值的规律;水流比能的变化决定总水头的变化,比能稳定值越小说明台阶溢洪道的消能效果越好。通过无量纲分析得出稳定比能与相关影响因子的2个无因次参数,结合试验和相关文献对2个无因次参数拟合,表现出良好的幂函数规律,相关系数为0.994 9~0.997 2。同时得出计算剩余能量和台阶溢洪道总消能率的经验公式,为相关设计提供参考。     

紊流浑水异重流交混区的阻力系数的研究

为进一步研究紊流浑水异重流交混区阻力规律,并简化该阻力计算方法,通过对紊流浑水异重流交混区上下两部分流速分布的研究,提出了最大流速点以上流速分布修正公式及适合高含沙水流的最大流速点以下流速分布公式。在此基础上对紊流浑水异重流交混区阻力系数进行了探讨,推导出了水库紊流异重流交界面阻力系数公式,并对其进行了讨论,论证了公式的合理性。并利用天然实测资料和实验室异重流试验数据对公式进行了验证,结果表明:推导出的异重流交界面阻力系数计算方法可以较好地模拟异重流交界面阻力变化规律。     

MATHEMATICAL MODEL FOR THE FLOW WITH SUBMERGED AND EMERGED RIGID VEGETATION

The article summarizes previous studies on the flow in open channels with rigid vegetation, and constructs a mathematical model for submerged and emerged rigid vegetation. The model involves the forces balance in the control volume in one-dimensional steady uniform flow. For submerged vegetation, the whole flow is divided into four regions: external region, upper vegetated region, transition region and viscous region. According to the Karman similarity theory, the article improves the mixing length expression, and then gives an analytical solution to predict the vertical distribution of stream-wise velocity in the external region. For emerged vegetation, the flow is divided into two region: outer region and viscous region. In the two circumstances, the thicknesses of each region are determined respectively. The comparison between the calculated results and our experimental data and other researchers' data proves that the proposed model is effective.     

含淹没植物明渠近床面区紊流特征高度试验研究

为研究含淹没植物明渠紊流统计参数垂向分布突变位置、理论床面和渗透高度的关系,进行了含淹没刚性植物明渠水流试验,使用圆柱铝棒模拟刚性植物,采用激光多普勒流速仪(LDV)测量流场,对由纵向流速、雷诺应力、局部阻力系数分布确定的特征高度和渗透高度进行研究,比较各类紊流特征高度的相对位置,分析植物密度与淹没度对其的影响。试验结果表明,在植物密度较大的情况下,近床面区流速沿垂向保持常数,雷诺应力梯度较小,一定高度处分布规律发生明显变化,能够较容易地确定流速梯度和雷诺应力梯度突变位置,淹没度对由3种方法确定的特征高度影响不明显;各种方法确定的特征高度中,雷诺应力特征高度与渗透高度更加接近;渗透高度随植物密度与淹没度的增大而增大;渗透高度与理论床面高度存在一定的线性关系。