地表粗糙度对坡面流水动力学参数的影响

坡面流阻力的研究对于深入认识坡面流水力特性及土壤侵蚀产沙机理具有重要意义。采用变坡试验水槽,利用定床阻力冲刷试验系统研究了坡面流Darcy-Weisbach阻力系数与粗糙度、流量、坡度和水流型态之间的关系。结果表明:阻力系数随着床面粗糙度的增加呈指数函数增大;阻力系数随着雷诺数的增加呈幂函数减小,且随粗糙度的增加;阻力系数与弗劳德数呈良好幂函数关系,且粗糙度的影响不显著,流量为主要影响因素;人工模拟粗糙度床面下,阻力系数可由粗糙度、流量和坡度的简单幂函数良好表示,并且粗糙度为主要影响因素,流量和坡度的影响相对较小。由因子分析可知,阻力系数可由粗糙度和弗劳德数良好表示,经检验该模型可用来计算不同粗糙度坡面薄层水流的阻力系数。     

植被对坡面流特性影响研究进展

为分析植被对水流阻力作用特征,给流域径流预测及坡面水力侵蚀等提供理论依据,从植被属性(柔性,刚性)、坡面流阻力、坡面流结构、数值模拟4个方面讨论植被对坡面流特性的影响,并探讨其影响规律及意义,对目前研究方法进行分析与展望。诸多学者通过理论分析、室外现场试验、水力模型试验等研究手段对水流阻力和水动力学特征等进行研究,结合目前研究现状,笔者认为存在以下问题:传统坡面流模拟试验是对刚性或柔性植被进行整体概化试验,而实际坡面植被性质复杂多样,不能全面论述其影响规律;阻力系数与雷诺数存在幂函数关系,但关于弗劳德数等其他流态相关参数对阻力系数影响的研究不多;对坡面流流态的界定存在争议,流态判别无统一定论。今后研究方向:(1)对更接近实际情况的植被进行研究;(2)产生新的适合于坡面流流态的推论和判断标准;(3)明确明渠水流阻力公式的适用条件及范围;(4)创新研究方法。     

山区河道水流阻力研究进展

山区河道水流阻力研究对于认识山区河道中水流特性、山洪行进过程以及山区河道输沙规律都具有重要的意义.本文从4个方面总结前人关于山区河道水流阻力方面的研究进展,包括:(1)泥沙阻力;(2)河道底坡与水流阻力的关系;(3)典型形体阻力;(4)阻力划分.其中泥沙阻力是肤面阻力的主要来源,这是以往研究中涉及较多的内容;河道底坡属于关注较多的形体阻力;其它形体阻力包括床面沙石突起、漂浮的树木、阶梯—深潭构造等均是山区河道所特有的,研究成果相对较少.阻力划分思想为从整体上得到具有普遍意义的阻力计算式提供了有效途径,但由于山区河道的阻力形成机制和物理来源尚未完全理清,使其应用受到一定的限制.今后还需在深入了解山区河道水流阻力机理的基础上,采用阻力划分方法对阻力系数量化做进一步的研究.     

草被覆盖下坡面—沟坡系统坡面流阻力变化特征试验研究

本项研究旨在通过室内放水冲刷试验，揭示坡面—沟坡系统坡面不同草被覆盖面积比、不同空间配置、不同放水流量下坡面阻力的变化过程及特征。试验共涉及坡面—沟坡系统坡面5种草被覆盖面积比、3种空间配置和2种放水冲刷流量。结果表明：坡面—沟坡系统坡面流各段面平均曼宁糙率系数和平均阻力系数与放水流量关系密切，随流量的增大在有草被覆盖断面两系数呈减小趋势，在无草被覆盖断面呈增大趋势。有草覆盖面积大小对阻力影响较大，随面积比的增加阻力系数增大；坡面流阻力在整个坡面—沟坡系统中沿流程增加而下降。在有草覆盖条件下各断面径流平均曼宁糙率系数和平均阻力系数均呈增加趋势，无草坡面则变化不大。因此可得出结论认为草被覆盖和坡度对坡面流阻力大小起着决定性的影响。     

坡面流阻力研究进展

主要从坡面流流态对坡面流阻力的影响、坡面流阻力与雷诺数的关系、降雨对坡面流阻力的影响、坡面流阻力公式4个方面对前人关于坡面流阻力的研究成果进行了总结。结果表明:坡面流流态的不确定性导致了坡面流阻力变化更为复杂;坡面流阻力与雷诺数之间并无良好单一的相关关系;降雨对坡面流阻力有很大的影响作用但具体影响机理并未有明确的结论;坡面流阻力公式表征仍用明渠水流概念及表达方式,并且3个阻力系数n、f、C哪个更适合表征坡面流阻力尚无统一的结论。进而对目前存在的问题进行了分析,对今后的发展进行了展望,认为需在研究方法和实验设备及量测技术方面有所突破,才可以更好的对坡面流阻力进行全面系统的研究。     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

植被影响下坡面流阻力变化特征研究

坡面流阻力是反映坡面流水力学特性的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45、87和127mm/h降雨强度下,20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面流阻力变化特征.结果表明,由于植被覆盖措施的阻滞作用,相对于裸地坡面,草地和灌木地坡面径流阻力系数明显增大.草地和灌木坡面阻力系数分别是裸地坡面的5.58 ～ 7.45倍和5.61 ～6.26倍.不同被覆条件下坡面平均阻力系数与降雨强度关系密切,随降雨强度的增大呈减小趋势.同时,坡面流阻力系数受到降雨强度和下垫面条件发育形态的共同影响.建立了不同被覆坡面的复合非线性阻力系数计算公式,变量系数表明草被覆盖度和降雨强度对坡面流阻力大小有着决定性的影响.该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理,为生态修复工程建设提供科学依据具有一定的科学意义.     

黄土丘陵区坡面薄层水流侵蚀动力机制实验研究

根据人工模拟降雨试验，研究了黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀水动力过程。结果表明：薄层水流的流速～流量、阻力系数～雷诺数及弗罗德数～雷诺数等3种关系均呈幂函数形式，除阻力系数～雷诺数关系递减外，其余均呈递增。降雨所形成的坡面流属过渡流和紊流，坡面流在时空分布上是非稳定和非均匀的，是在下垫面和降雨影响下严重受扰的扰动流，且具有急流的特点。薄层水流的这种流态特征是侵蚀形成的动力原因。分析了径流量与坡度、雨强，产沙量与坡度、雨强及径流量之间的关系，对深入揭示坡面侵蚀产沙规律有重要的意义。     

多沙粗沙区细沟流水动力学试验研究

为探求多沙粗沙区沙黄土坡面细沟侵蚀发生过程中的水动力学特性,研究了3种坡度(3°、9°、15°)、5种流量(2.4L/min、3.6L/min、4.8L/min、6.0L/min、7.2L/min)组合冲刷试验的坡面细沟水力要素的变化规律。结果表明,沙黄土细沟水流平均流速和放水流量与水力坡度间存在幂函数关系;试验床面形态属于动平床过渡区,土壤黏粒含量愈大,沟床愈趋向于低能态区延伸,随着中值粒径的增加水流愈向高能态区发展。弗劳德数变化在0.96~1.30之间,水流流态多属于急流;雷诺数主要在307~1 465之间变化,属于过渡区范畴;阻力系数与雷诺数之间并无显著关系,主要与床面中值粒径或者黏粒含量有关,与明渠水流中紊流粗糙区的阻力特征比较类似,根据阻力特征分析,含沙水流已进入阻力平方区。     

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.     

Longitudinal variations of hydraulic characteristics of overland flow with different roughness简

The evolution of the overland flow velocity along the distance downslope on smooth and granular beds in different cases is investigated by means of the electrolyte tracer via flume experiments.The results demonstrate that a non-uniform flow regime and a uniform flow regime exist in the development process of the overland flow.Owing to the different attributes of beds’roughness,the position of those zones with different flow regimes varies correspondingly:(1)the overland flow on granular beds enters into the uniform regime much sooner,additionally,the roll waves tend to appear because of the presence of the proper flow resistance imparted by the roughness(coarse sands),and large slopes(20o and 25o)which makes the flow velocities and depths to undulate spatially.Furthermore,the flow resistance of the overland flows with different roughness elements,that is the non-sands,the fine sands and the coarse sands,is calculated.A quadratic interpolation method of the third order accuracy is employed in the calculation of the longitudinal flow resistance.The results show that it is rational to use the bed slope to approximate the hydraulic energy slope over a relative small roughness(the present roughness),however on the other hand,if the mean flow velocities and depths rather than the local parameters are used to calculate the flow resistance,a considerable error will be induced within the non-uniform regime of the overland flows,including the acceleration zone and the roll-wave zone.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HYDRODYNAMIC CHARACTERISTICS OF OVERLAND FLOW WITH GEOCELL

The hydrodynamic characteristics of the overland flow with a geocell slope are different from those of traditional flows because of its special structure. In this paper,a hydraulic flume with different slope gradients is used to study the hydrodynamic characteristics of the overland flow with geocell. The differences of flow characteristics between the overland flow with the geocell slope and the traditional flows are studied, and the hydrodynamic characteristics are obtained, including the flow pattern, the flow velocity and the hydraulic friction factor for the slope flow with geocell under different flow rates and slope gradients. The results show that there is a positive power function relationship between the rill depth of the slope surface (h) and the drag coefficient of the Darcy Weisbach (f).There is a positive logarithmic function relationship between the drag coefficient f and the Reynolds number Red,and there is a negative power function relationship between the drag coefficient f and the Froude number Fr.     

倒伏植被茎秆粗度对坡面水流特性的影响

为深入探索植被倒伏条件下水流结构的内在规律,开展植被茎秆直径对坡面流水流特性影响的试验研究。试验固定坡度为1. 0%,倒伏角度为20°,取茎秆直径为2 mm、3 mm、4 mm进行室内明渠流模拟试验。结果表明:在相同直径条件下,随水深增大,Darcy-Weisbach阻力系数逐渐增大,雷诺数呈线性增大,弗劳德数呈幂函数形式下降;在相同水深条件下,随茎秆直径增大,DarcyWeisbach阻力系数增大,雷诺数与弗劳德数随之而减小,且当茎秆直径每增加1 mm,阻力系数平均增大33. 76%,雷诺数平均减小2. 57%,弗劳德数平均减小8. 33%。     

The experimental study of hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with three-dimensional Geomat

The hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with a three-dimensional Geomat are studied for different rainfall intensities and slope gradients. The rainfall intensity is adjusted in the rainfall simulation system. It is shown that the velocity of the overland flow has a strong positive correlation with the slope length and the rainfall intensity, the scour depth decreases with the increase of the slope gradient for a given rainfall intensity, and the scour depth increases with the increase of the rainfall intensity for a given slope gradient, the overland flow starts with a transitional flow on the top and finishes with a turbulent flow on the bottom on the slope with the three-dimensional Geomat for different rainfall intensities and slope gradients, the resistance coefficient and the turbulent flow Reynolds number are in positively related logarithmic functions, the resistance coefficient and the slope gradient are in positively related power functions, and the trend becomes leveled with the increase of the rainfall intensity. This study provides some important theoretical insight for further studies of the hydrodynamic process of the erosion on the slope surface with a three-dimensional Geomat.     

坡面流阻力规律试验研究

通过实验室人工隆雨水槽试验，初步研究了坡面浅层均匀流及由降雨形成的浅层沿程变量流的流动阻力规律，根据试验中观察到的物理现象及对实测资料的分析，进一步明确了坡面浅层水汉与一般明渠流水力特性的差别，揭示了降雨、坡度和表面粗糙度对浅层流流动特性的影响，提出了“伪层流”的概念，根据实测资料建立了不同流区的Ｄarcy-Weisbach阻力参数f的定量关系式，研究成果可用于坡面流汇流计算及土壤侵蚀、产沙模拟等生产实践。     

草被覆盖度下坡面流流速变化及缓流机制研究

坡面薄层水流是黄土区土壤侵蚀发生的直接动力条件,探究植被覆盖条件下坡面流水动力学特性及缓流机制,有助于揭示土壤侵蚀发生的水动力学机理。在水槽坡度为12°条件下,通过9个草被覆盖度、7个流量的组合试验,研究了不同植被覆盖度下坡面水流流速变化和缓流机制。结果表明:坡面流流速随着覆盖度的增加整体呈减小的趋势;缓流系数随覆盖度的增加呈先增大后减小的变化规律,当覆盖度大于47.66%时,缓流系数随覆盖度的增加显著减小;以覆盖度47.66%为临界值,高、低覆盖度下缓流系数随雷诺数的变化规律有所不同。最后,建立了模拟草被下的坡面流流速和缓流系数拟合公式,验证结果表明,拟合公式精度较高,可为建立土壤侵蚀预报模型提供参考。     

人工植被分布变化对坡面流阻力及局部水头损失系数的影响研究

基于室内坡面流实验,研究了人工植被分布变化对坡面流水动力学特性的影响。试验包括"细管整齐排列"、"细管1/2错开排列"、"细管1/4错开排列"、"粗管1/2错开排列"等植被分布方式。研究结果表明植被分布变化对坡面流扰动程度的影响显著,从而使得不同植被分布方式下的坡面流达西阻力系数、局部水头损失系数差异性很大。而随流量增大达西阻力系数、局部水头损失系数都呈现先减小后增大的趋势。     

基于滑移效应的水煤浆膏体管道输送阻力计算

随着煤化工产业的发展,煤炭如何高效清洁输送成为研究的热点。利用管道水力输送高浓度水煤浆具有投资少、节能环保等明显优势。由于小管径试验操作更加方便,更加节省物料,试验室中常用小管径进行工艺参数试验。试验研究了质量浓度为53%和58%的高浓度水煤浆在管径为50,47,32和29 mm管道中的流动特性。推导了滑移条件下不同流型流体的流变参数计算式,并基于滑移效应分析,得到了水煤浆的阻力系数。通过均质流阻力计算式得到高浓度水煤浆的阻力,计算结果表明,水煤浆的流变模型符合Herschel-Bulkey模型,考虑滑移效应条件下,高浓度水煤浆阻力系数与广义雷诺数存在一定关系,阻力可用均质流公式进行计算。     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟

该文采用格子玻尔兹曼(LB)方法建立了紧密排列颗粒粗糙床面振荡紊流边界层模拟的三维数学模型。收集粗糙床面波浪水槽实验结果,对水槽实验条件下的振荡流边界层进行模拟,模拟得到的平均流速、紊动特性、等效粗糙高度、摩阻系数和边界层厚度等与实验结果进行了全面对比,并对三维涡旋结构进行了分析。结果表明,所建立的LB数学模型可以合理模拟粗糙床面振荡流边界层流动,能够反映三维涡旋特性,可进一步应用于粗糙床面振荡流紊动特性以及床面粗糙参数的研究。