泥沙起动条件分析及推移质输沙率公式

基于床面均匀泥沙颗粒相对位置关系,确定了瞬时作用流速及有效作用高度,建立了平坡泥沙起动条件与床面泥沙暴露度的关系。从理论上分析得到,泥沙跃移起动要求水流条件最高,滚动起动及滑动起动取决于泥沙颗粒的暴露角,且暴露角θ不随拖曳力系数C_D和上举力系数C_L的变化而变化。当暴露角θ小于42.8°时,泥沙更易于滚动起动;当暴露角θ大于42.8°时,泥沙更易于滑动起动。在此基础上,推导出了考虑两种起动模式的起动全概率公式,建立了床面推移质单宽输沙率公式。通过经典的推移质输沙率实测资料验证及误差计算表明,公式结构合理,计算精度较高,对于高、中、低输沙率都具有较好的适用性。     

均匀无黏性单颗粒泥沙起动切应力的探讨

为了进一步揭示泥沙起动切应力的变化规律,引出隐蔽角的概念。结合前人提出的暴露角概念,考虑了泥沙颗粒与其上、下游支撑颗粒的相对位置对泥沙颗粒起动的影响,推导出新的泥沙起动无因次起动切应力公式;得出了无因次临界起动切应力随泥沙颗粒位置及起动标准的变化关系,重新确定了泥沙颗粒起动最难和最易时的位置关系,计算出了单颗粒泥沙在弱动、中动及普动标准下的起动切应力变化范围分别为1. 16×10~(-4)～0. 039 4、1. 69×10~(-4)～0. 057 8及2. 58×10~(-4)～0. 088 1。与其他学者的研究成果相比,得到的成果涵盖了大部分学者的取值范围。     

基于耗散粒子动力学的剪切流中黏性沙絮凝机理研究

基于介观尺度下的耗散粒子动力学方法,建立了包含力场势函数的均匀各向同性紊流模型,对不同剪切率条件下黏性泥沙的絮凝过程及絮团形态进行了模拟计算。结果表明:随着剪切率的增大,体系中絮团初始出现的时间先急剧减小,后经短暂平稳过渡,又迅速增大,最后基本保持不变;水体剪切率较小时,非键能减小速度较快,随着剪切率进一步增大,非键能减小速度逐渐变缓,体系稳定性逐渐降低;当剪切率较小时,絮团形态更为致密,分形维数逐渐增大;随着剪切率的进一步增大,伴随有多个小絮团出现,分形维数逐渐减小,最终保持在1.12左右;在紊动剪切条件下,体系中絮团一直处于碰撞、絮凝、破碎的动态过程。     

任意坡面上均匀沙起动概率及起动流速的计算公式

基于概率统计理论,引入泥沙颗粒组成及相对暴露度产生的附加质量力,得到了任意坡面上泥沙起动概率的计算公式;并将其引入到泥沙起动研究中,从理论上推导出了任意坡面上近底作用流速及垂线平均流速公式;此外,公式还可以进一步简化为弯道岸坡、顺直岸坡、正负坡以及平坡条件下的泥沙起动流速公式。通过任意坡、弯道岸坡等条件下的实测资料验证,本文公式计算值与实测数据符合较好,可应用于任意条件下泥沙起动流速的计算。     

五圆弧平底蛋形断面隧洞临界水深的简易算法

五圆弧平底蛋形断面隧洞具有结构相对简单、断面形状尺寸容易控制和易于施工的特点,是工程中较常采用的水工隧洞断面形式之一,但其断面临界水深计算公式复杂,且为分段的超越方程,在求解过程中计算繁琐,无法直接给出解析解。为此,本文计算了五圆弧平底蛋形断面的水力要素,得到3种典型断面的过水断面面积和水面宽度计算公式,并对临界水深的基本计算公式进行简单的数学变换,对无量纲临界水深和无量纲参数的关系进行研究分析,利用优化拟合理论,在工程适用的范围内推导了3种典型五圆弧平底蛋形断面临界水深的直接简易计算公式,并进行了精度分析。结果表明:公式计算误差绝对值的最大值小于0.24%,且大部分区域相对误差在0.1%内正负波动,完全满足实际工程的精度需求。     

斜坡上的推移质输沙率公式

为了获得理论更全面、应用范围更广的推移质输沙率公式,基于数理统计方法及力学分析方法,借鉴Engelund推移质输沙率模型,研究了斜坡上推移质输沙率问题。在分析斜坡上泥沙颗粒受力的基础上,考虑了水流近底作用流速的随机性及床面上泥沙颗粒分布的随机性,推导出了斜坡上泥沙起动概率;探讨改进了单位床面上泥沙颗粒数和推移质运动速度的计算式,得到了文中推移质输沙率公式。采用不同坡度的实测资料进行验证,并与其他经典公式计较,结果表明,在不同坡度的情况下文中公式都有较好的适用性,且精度较高。     

基于非线性理论的推移质输沙率公式

基于非线性理论的尖点突变模型,分析了水流条件和泥沙颗粒在床面相对位置对泥沙输移过程的非线性动力学特征的影响,得到尖点突变模型的状态变量和控制变量,建立了定性描述泥沙输移的尖点突变模型,并通过坐标变换和拓扑变换,构建了非线性推移质输沙率公式。经与推移质输沙率实测资料、基于同理论推移质输沙率公式和经典推移质输沙率公式对比,分析了低强度输沙时不同公式计算结果存在差异和高强度输沙时计算精度发生突变的原因,讨论了泥沙起动切应力对输沙率公式的影响,验证了本文公式具有良好的适用性,证明了本文非线性推移质输沙率公式是合理的。     

泥沙起动标准和起动参数的关系研究

采用滚动起动模式,基于颗粒位置随机性和水流脉动特性,提出全概率泥沙起动的计算方法,推导出一个基于全概率理论的起动流速公式。实测资料验证表明,公式的适用性较好。在此基础上,建立了同一起动状态下,起动颗粒数、起动流速、起动切应力、输沙率与起动概率等起动参数之间的对应关系。     

泥沙输移问题研究进展与展望

泥沙输移问题一直是国内外泥沙学者研究的热点问题。通过回顾推移质泥沙起动输移特性、悬移质运动规律,分析阐述了泥沙输移领域的一些主流研究成果、存在的不足及今后研究的热点及难点。认为近底瞬时作用流速、床面泥沙非均匀性及床面泥沙随机分布规律仍将是当前及今后研究的热点和方向;群体泥沙颗粒间的相互作用是揭示推移质群体运动机理的重要基础及前提;悬移质泥沙输移理论尚不成熟的主要原因,仍然是对泥沙颗粒悬浮、扩散与交换机理认识不清。