刚性淹没双层植被明渠水流紊流特性研究

文章采用标准 紊流模型,结合雷诺平均Navier-Stokes方程,对刚性淹没双层植被明渠水流特性进行了研究。计算所得的流速值与实测值吻合良好,表明计算方法可行。进而根据空间及时间的双平均理论,给出了双平均条件下的明渠流速,雷诺应力及紊动能分布,并对紊动能平衡方程中的各项进行了分析。结果可以看出,刚性双层淹没植被作用下,垂向流速分布曲线由三个拐点将其划分为四个区域;雷诺应力及紊动能分布在植被顶端明显增强,高植被顶端各项值均大于低植被顶端相应值;紊动能平衡方程中的紊动耗散项及压力耗散项在紊动能平衡方程中起着主导作用;植被顶端区域产生的涡,通过喷射和扫掠作用使其附近水体发生质量及动量交换。     

含植被浑水的水动力特性和紊动特性试验研究

为了研究含植被浑水的水流特性,基于水槽试验分析了纵向流速、雷诺应力、相对紊动强度的分布情况.结果表明:①无植被时,沿垂线方向水流纵向流速分布呈"J"形;有植被时,受上游植被干扰的区域沿垂线方向其水流纵向流速分布呈"S"形,未受上游植被干扰的区域沿垂线方向其水流纵向流速分布呈"J"形.②在植被淹没状态下,雷诺应力最大值位...     

冲刷过程中岸坡条件对塌岸淤床交互作用影响的试验研究

在弯道水槽中开展系列试验,研究不同的岸坡条件对岸坡稳定性以及崩塌体与河床交换作用所产生的影响。试验成果表明：岸坡崩塌及崩塌体的分解输移与近岸水流的紊动能关系密切。水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移的反复循环过程。无论岸坡是黏性土组成还是非黏性土组成,坡脚附近河床并没有与崩塌土体发生掺混。在岸坡形态、河床组成及水力条件相同的情况下,黏性岸坡坡脚处河床冲刷量明显大于非黏性岸坡坡脚处河床冲刷量;黏性岸坡崩塌量小于非黏性岸坡崩塌量。在岸坡材料相近、河床组成及水力条件相同的情况下,较陡岸坡经水流淘刷后更易失稳,岸坡冲刷坍塌量及崩塌物质在河床上的淤积量明显大于较缓岸坡情况。     

不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

复式河槽动能损失强度分析

在复式河槽中，由于滩槽交界面存在强烈的动量交换，使得复式河槽过流能力降低。为了反映动能损失的强度，针对恒定、均匀、紊动水流，提出了横向动能校正系数和动能损失率的概念。通过分析复式河槽动能损失的机理发现：在复式河槽中，横向动能校正系数大于1和动能损失率大于0。分析英国科学工程研究委员会洪水水槽设施的系列试验成果，发现横向动能校正系数和动能损失率与复式断面形态有关。动能损失强度随着主槽边坡系数的增大而减弱，随着滩槽宽度比的增大而增强。对称复式河槽的动能损失大于非对称的复式河槽。对于所有断面形态，动能损失强度先随相对水深的增加而增强，后又随着的相对水深的增加而减弱，最终表现出单一河槽的特性。     

山区河流浅水河床漂石对局部水流结构影响试验研究

西南山区河道普遍分布着大量的卵砾石、漂石等大粒径床沙,漂石颗粒急剧调整局部水流结构与泥沙输移,从而制约着河床响应过程。以漂石河床水流结构为研究对象,结合野外典型河段调查和概化试验,利用3维多普勒流速仪（ADV）详细测量漂石区域的3维流速,探讨浅水条件下漂石颗粒对局部水流运动的影响。分析表明：漂石对水流结构的影响集中在其下游中心区域,尤其是远部尾流区内,其纵向范围主要集中在约–1<Δx/D<2区域,其中漂石附近的近底流速变化明显,远部尾流区边界高度也从受漂石影响较小的上游0.3～0.4倍水深发展到受漂石影响较大的下游0.5～0.7倍水深处;中心纵剖面紊动能和雷诺应力数值显著大于左右两侧,且其数值在漂石下游激增至1～10倍和1～16倍,两者出现峰值的位置都集中在漂石远部尾流区末端。研究还发现,漂石相对淹没度（H/D,平均水深与漂石有效直径之比）对漂石附近的水流结构有较大影响,随着相对淹没深度（H/D）的增加,其对流速、紊动能和雷诺应力的影响逐渐增强,在处于临界淹没度H/D = 1.2时最为强烈,之后强度递减。不同相对淹没度（H/D）下,流速、紊动能和雷诺应力恢复区长度相近,且与远部尾流区尺度变化基本一致。总体而言,漂石通过改变局部沿程流速、紊动参数和远部尾流区分布,从而显著影响浅水河床局部水流结构,其具体影响因子和响应规律有待进一步深入研究。     

弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用

在弯道环流的作用下,滩槽水沙交换的强度和模式明显有别于顺直河道情况,其研究内容相对复杂。目前,对弯曲河道水沙输移规律尚缺乏较系统的研究。将SHIONOKNIGHT方法拓展应用到弯曲复式河槽中研究弯曲河道的水沙因子的横向分布规律,从考虑侧向二次流惯性力和河道弯曲程度的动量方程出发,对水流微小控制体进行了受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,得到了复式断面流速和挟沙力的横向分布规律,最后论证了不同弯道曲率对复式河道水流泥沙因子横向分布的影响。     

全动床复式河槽水流阻力特性的试验研究

当水流漫滩后,由于滩槽间存在着强烈的动量交换,复式河槽在过流能力、泥沙输移、流速分布等许多方面不同于单一河道。通过水槽试验,探讨了清水作用下,由非均匀沙构筑而成的全动床复式河槽完全粗化后的水流阻力变化特性,包括水流能量损失、曼宁系数、谢才系数与达西-韦斯巴赫阻力系数等沿程变化。试验结果表明,对于清水作用下的全动床河道很难获得均匀流。断面平均流速沿程变化,单位重量水体经过单位长度而损失的能量将沿程改变。对于该类河道,在给定的水流条件下,阻力系数不再保持为常数,而是沿程变化的。这些特性表明全动床复式水槽水流阻力远比定床的复杂,要准确预测该类河道的过流能力及泥沙输移能力远比定床的困难。     

复合明渠中非淹没刚性植被扰流现象实测研究

为了研究天然河道中非淹没刚性植被对水流的影响,对实验室水槽进行了加工,使其单侧具有二级漫滩,另一侧为主槽,并将刚性植被(用玻璃棒代替)布置在漫滩上,设置了三种典型工况(植被平行和交错排列、无植被的情形),利用三维激光多普勒测速仪(3D-LDV)等仪器进行测量,并对结果进行了分析和比较。结果表明,具有漫滩的水槽中,漫滩上刚性植被对整个水槽水流流速、水位分布及水头损失均有较为显著的影响。     

格子Boltzmann方法在含挺水植被河道水流数值模拟中的应用研究

河道中水生植物的存在会影响其水流结构,从而对河床冲淤、航运、防汛工程等产生严重影响。采用格子Boltzmann方法对具有刚性植物的实验室水槽水流结构进行了二维数值模拟研究。在数值模拟中,使用Boltzmann-BGK模型中的D2Q9模型,固壁边界采用反弹边界处理方式。在水槽中,按植被排列方式不同分4种典型工况,分别进行了数值模拟,对水流流速及涡旋结构进行了分析比较,得到了植被按稀疏平行、稠密平行、稀疏交错、稠密交错等4种排列方式下水流断面流速分布及涡漩结构。研究结果对河道治理、河道生态环境建设等领域有一定的工程应用价值。     

An experimental study of the incipient bed shear stress partition in mobile bed channels filled with emergent rigid vegetation

This paper investigates the bed shear stress based on the condition of the incipient motion of sediment in a uniform-flow flume covered with emergent rigid vegetation,which is represented by arrays of circular cylinders arranged in a regular pattern.A total of 148 tests are performed to observe the influence of the vegetation density,bed slope,flow depth and sediment size on the bed shear stress.The tests reveal that when the sediment is in incipient motion,the resistances acting on the flow passing the rigid vegetation contain the vegetation resistance and the bed shear stress.This shear stress could be divided into two parts:the grain shear stress and the shear stress caused by sand dunes,which are the deformed bedform with the sediment incipient motion.An empirical relationship between the shear stress of the sand dune and vegetation density,the Froude number,the apparent vegetation layer velocity is developed.     

基于数值模拟的矩形明渠床面切应力分析

河道流动受边界切应力影响,边界切应力过大会造成河岸被侵蚀,降低河岸的稳定性,并通过影响泥沙的沉积和搬运,引起河流形态变化。探究河流边界切应力,就是在河流中水流流动状态、结构特性等问题。由于河流中影响边界切应力的因素多且复杂,本文去掉各种不确定的因素,通过数值软件建立一个二维矩形直道明渠流动模型,运用相似理论中的重力相似准则对矩形直道明渠模型进行缩尺,首先将5种比尺的均匀流直道模型的流动进行数值模拟。由于该5个直道明渠模型模拟结果统一出来的水位流量关系与曼宁公式推导出的水位流量关系高度一致,因此可以表明该模型模拟出来的参数是真实可靠的。针对非均匀流的情况,本文通过欠均匀流和超均匀流的概念,对9组直道模型非均匀流进行数值模拟,通过非均匀流的受力分析推导出通用的床面切应力公式。该公式表明无论矩形明渠的流动是否为均匀流,都可通过水深h、流速u、曼宁糙率系数n三个参数求出床面切应力。     

（研究生论坛）滩地一排植被作用下的复式河槽水流特性研究

为研究滩地种植一排植被情况下,梯形复式河槽断面的垂线平均流速分布和床面剪切应力分布,进行了4种方案的室内水槽试验。分别采用多普勒三维流速仪（ADV）和普雷斯托管对流速和床面剪切应力进行了测量。试验结果表明,植被处于淹没状态时,主槽中心线和滩地中心线附近的垂线流速呈对数分布,而在植被区域的垂线流速呈S型分布。流量的增加和植被间距的加大将引起同一垂线的平均流速增大。床面剪切应力值在植被区域达到最小值,表明植被对断面的床面剪切应力有显著削弱作用。流量越大、植被密度越小,床面剪切应力值就越大,但床面剪切应力占水流阻力的比重越小。     

溃坝水流三维湍流的试验与数值分析

采用假定溃口形状,选取临界漫顶及坝体完全淹没2组不同流量,进行定床物理模型试验,测量了溃口内部水流的垂线流速分布.采用CFD软件FLUENT对2组三维溃坝水流进行全流场湍流数值模拟,其结果与试验值吻合较好,同时较为精细地捕捉到了坝前水位稳定后溃坝水流三维流场、湍动能和壁面剪切应力.结果表明:高强度壁面剪切应力可能为坝体侵蚀主要因素,在坝顶及溃口与坝面的连接处壁面剪切应力及湍动能出现极大值,强湍动能将使得侵蚀的泥沙迅速扩散到水体当中,随着水流的运动向下游输移.三维流动的存在,使得泥沙向下游输运的过程中先向溃口内部集中,到达下游河道后再逐渐扩散到整个河道中.小流量情况下,这一趋势不太明显,随着漫顶流量的增大这一趋势明显增强.以上水力条件可能为溃口迅速展宽、降低的主要因素.     

Large-eddy simulation and experimental study on the turbulent wake flow characteristics of a two-bladed wind turbine

Large-eddy simulation(LES) with fully resolved rotor method(FRM) is applied to explore the turbulent wake flow characteristics and vortex evolution laws of a two-bladed horizontal-axis wind turbine. Relevant wind tunnel experiments have been done based on time resolved particle image velocimetry(TRPIV) technique. The simulation results are validated by the experimental data and they are in good agreement. The axial average velocity, turbulent kinetic energy, shear Reynolds stress, and vortex structure of the wind turbine wake are analyzed based on the comparison of LES results and experimental data. It is observed that the wake diameter of wind turbine enlarges with the increase of tip speed ratio(TSR). Turbulent kinetic energy meets its minimum value when x/R=2.0. Shear Reynolds stress appears a positive peak in the near wake when x/R2.0, and the value of shear Reynolds stress decreases along the axial direction. The blade tip vortex dissipates more quickly than the central vortex in the wind turbine wake, and the gradient of the relationship curve between the blade tip vortex core position and the vortex age decreases as the TSR increases. With the increase of TSR, the thrust coefficient increases, and the power coefficient increases first and then decreases.The present work proves that LES with FRM could calculate wind turbine turbulent wake flow with a high accuracy.     

边界条件对植被化矩形复式河槽流速及床面切应力的影响

在水深平均动量方程中加入了植被引起的拖曳力,给出了垂线平均流速及床面切应力的2维解析解.根据滩地植被化矩形复式河槽的断面形态特点,建立了滩槽交界面的切应力平衡方程进而提出了2种边界条件.比较这2种边界条件后发现它们的计算结果在水深较大时几乎相同,而水深较小时在剪切区内有一定差别,考虑了主槽边壁切应力影响的边界条件可以给出更好的计算成果.运用8组不同的矩形复式河槽试验资料对该边界条件的应用情况进行验证,结果发现,在各个区域选取合适的二次流系数比忽略二次流能更好地模拟流速及床面切应力分布,在各组矩形复式河槽工况中,考虑二次流可以得到较好的计算成果.     

嘉陵江与长江交汇水流顶托效应特性研究

干支河流交汇是河流水系发育与演化的重要形式,在河流交汇区常发生水流顶托现象。水流顶托显著影响着干支流交汇区水位、水面比降及床面切应力特性,从而制约着交汇区水沙运动特性及河床演变过程。本文以嘉陵江与长江交汇区为例,基于实测资料与不同组合干支来流的数值模拟结果,突出分析了不同干支来流条件下典型区域水位、水面比降及床面切应力变化特性,结果表明嘉陵江对长江的顶托作用随汇流比的增大而增大,长江上游水面比降随汇流比增大而减小,床面切应力随汇流比增大而减小。     

减阻沟槽表面对湍流边界层高阶矩特性的影响

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维LDV系统获得光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流动参数。通过象限分析法深入研究减阻沟槽表面湍流边界层中雷诺切应力的变化情况,着重考察沟槽面对湍流边界层高阶统计参数的影响,并将高阶统计参量同湍流边界层相干运动规律结合起来,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律。结果表明,沟槽的存在抑制了整个近壁区低速条带的喷射运动,降低了y+<15区域内高速流体的下扫强度;雷诺切应力以及湍动能的法向输运主要是由喷射和下扫这两种运动来完成的,沟槽的存在削弱了雷诺切应力及湍动能的法向输运水平;沟槽的存在减小了y+<13区域内的流向速度脉动的偏斜因子与y+<3区域内流向速度脉动的平坦因子。