明渠水流的紊动特性

本文采用先进的二维激光流速仪系统地量测了明渠水流的紊动特性，探讨了明渠水流的紊动机理。根据实测资料，得出了各种紊动统计参数的数学表达式，为研究水流的紊动结构及悬移质泥沙的运动机理提供了可靠的验证资料。     

明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究北大核心CSCD

明渠自掺气现象常见于水利工程,当水流流速较高时,空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流,水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验,而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型,利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证,掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好,说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现,对于明渠完全掺气水流,掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部,使得壁面对掺气水流阻力作用减小,造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。     

明渠水流自掺气对断面平均流速的影响

建立了求解明渠自掺气水流断面平均流速的理论公式，计算表明当气泡扩散到槽底，断面平均流速就增大，否则，掺气对断面平均流速影响不大；对断面平均流速的理论公式进行分析，从理论上说明了自掺气水流的速度分布必然存在一个自底面向水面方向不断增大，然后再逐渐减小的过程。分析了掺气对流速影响的原因，认为掺气水流断面平均流速增大主要是由于气泡进入了剪切层，导致掺气水流抗剪强度降低所致，而流速分布在上区减小是由于掺气使气体边界对速度的影响深入到了水流内部所致。     

矩形明渠二维恒定均匀层流断面流速分布及阻力研究

基于广义牛顿内摩擦定律和水流能量方程,推导出了矩形明渠二维恒定均匀层流条件下流速偏微分方程定解问题,使用固有函数法求得了解析解;建立了指数函数型和幂函数型断面平均流速近似表达式;重点分析了在宽深比大于1的条件下,断面平均流速和沿程阻力系数的相应变化情况,并与二元明渠恒定均匀层流进行了对比。分析表明,由于侧壁的影响,断面平均流速下降而沿程阻力系数增加。     

非静压假定的σ坐标下垂向二维浅水模型的应用研究

本文采用σ坐标下的垂向二维自由表面流动的k -ε双方程湍流数学模型 ,加入动水压力项 ,采用有限体积法来离散 ,求解模型时利用SIMPLE算法。本模型通过带有槽沟的明渠水流资料进行验证 ,计算结果与实测结果吻合较好 ,在预测底部有潜堤明渠水流时 ,计算出潜堤后面有明显的回流。     

非静压假定的δ坐标下垂向二维浅水模型的应用研究

本文采用δ坐标下的垂向二维自由表面流动的κ－ε双方程湍流数学模型，加入动水压力项，采用有限体积法来离散，求解模型时利用SIMPLE算法。本模型通过带有槽沟的明渠水流资料进行验证，计算结果与实测结果吻合较好，在预测底部有潜堤明渠水流时，计算出潜堤后面有明显的回流。     

管道滞留气团运动特性PIV实验与数值模拟

为研究有压输水管道水流速度和局部高点的管道角度等因素对局部高点滞留气团运动特性的影响,搭建有压管道局部高点滞流气团实验平台,通过激光粒子测速系统（PIV）对局部高点处的流速进行测量;结合RSM湍流模型结合VOF多相流模型,构建局部高点气-液两相流体动力学模型进行数值模拟,分析管内流速、局部高点角度和气团体积对有压管道排气性能的影响。研究结果表明,随着水流速度增大,局部高点滞留气团呈现三种状态,即无气泡产生、气团产生气泡且部分被排出、气团一次性被排出;在其他条件相同时,若气体大于一定体积,一次性将气体携带出局部高点所需的水流速度增幅将减缓;局部高点角度越大,一次性将气体携带出局部高点所需的水流速度越大。     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅰ)——模型的建立

弯道环流是影响河道断面流速、含沙量分布及河床冲淤的重要影响因素.一般的二维水流数学模型没有考虑弯道环流对断面流速及横向输沙的影响,本文在深度平均的平面二维k-ε紊流数学模型中加入反映弯道引起的二次流及横向输沙附加项,对平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行扩展,使之能更准确地模拟出弯道处流速及含沙量的断面分布情况.     

气体流速对大气压氩气等离子体射流影响的实验与仿真

为了研究气体流速对Ar大气压等离子体射流（APPJ）的影响,首先对其进行了实验研究,并通过建立二维轴对称模型,数值仿真了Ar气流在空气中的流速与摩尔分数分布。考虑了高流速下湍流对APPJ的影响,耦合求解了连续性方程、N-S方程、K-ε湍流方程以及混合气体的组分输运方程。实验结果表明,随Ar流速的变化APPJ表现为层流、...     

细沟侵蚀下的坡面水动力学特性研究

研究细沟水流水动力学特性,是了解和掌握细沟侵蚀机理的关键,也是建立土壤侵蚀预报模型的基础。本文在室内放水冲刷试验基础上,对不同土壤容重(1.2、1.35、1.5 g/cm~3)、流量(2、4、8、16 L/min)、坡度(5°、10°、15°、20°、25°)条件下的细沟水流水动力学特性进行了研究,结果表明:流量和坡度都是影响水流流速的重要因素,流速可以用坡度和流量的幂函数来表示,且坡度是影响流速的主要原因;土壤容重对流速有一定影响,且随坡度的变化对流速的影响存在差异;水流雷诺数变化范围在248~1932之间,土壤容重和坡度对雷诺数均没有影响,雷诺数主要与流量有关,且随流量的增大呈线性关系;细沟水流弗劳德数在各试验条件下基本大于1,属急流状态,土壤容重对弗劳德数的影响类似于流速,随坡度的不同有一定差异;水流阻力系数变化范围为0.04~0.955之间,随坡度和流量的增大呈先增大后减小的趋势,且受土壤容重影响明显,在低坡和陡坡下都随土壤容重增大而减小。     

局部放电信号三维图谱的分形特征研究

研究了局部放电信号三维图谱随机分形曲面的形态 ,建立了曲面统计量的相关函数和分形维数 ,基于数学分形理论探讨了局部放电信号三维图谱的分形特征 ,认为局放信号的随机分形曲面具有自相似性和分数维数的分形特征 ,研究其变化规律可有效剔除噪声干扰。     

光滑矩形明渠二次流特性研究

明渠中二次流的存在影响了流速和能量的分布,本文利用高分辨率粒子图像测速系统（PIV）,对光滑明渠中二次流的特性进行研究。考虑到明渠紊流具有对称性,对二分之一水槽内的水流参数进行了测量。由于宽深比的变化对二次流有直接影响,取宽深比从3.75到7.5,研究急流条件下二次流结构和强度的变化,以及雷诺应力沿垂线分布的变化规律。结果表明：横断面内存在多个二次流涡结构,其个数和强度受到宽深比的影响;紊动能分布和二次流之间关系密切;流向速度分布存在最大流速下移现象,下移点位置和宽深比以及测线到壁面的距离有关,符合经验公式计算结果;水槽中心处雷诺应分布不受宽深比的影响,但是受到流速梯度的影响。     

水流强度对推移质三维运动规律的影响

利用粒子示踪技术对恒定均匀明渠流中的推移质颗粒运动进行了测量,采用了三种比重的试验沙,通过改变沙样粒径及水力比降,得到了10组不同水流强度下粒子的三维运动轨迹,计算了粒子三个方向上的速度分量并对大量颗粒的计算结果进行了统计分析。试验结果表明,推移质颗粒运动的平均纵向速度与颗粒雷诺数成幂函数关系,垂向和横向上则基本为随机运动,没有明显的平均运动趋势;颗粒纵向紊动强度及紊动能量均随Shields数增大而增强,由于比重及粒径尺寸的约束,颗粒纵向和垂向紊动强度在数值上大约为清水的一半。     

钱塘江河口潮流悬沙的二维模型计算

针对钱塘江河口潮强流急,动力、泥沙含量变化复杂,建立了二维水流泥沙数学模型,模拟水流运动及含沙量变化,通过实测资料率定,模型较好地模拟了河口沿程水位、测点流速、含沙量过程以及断面输沙量,并对潮流泥沙特性和泥沙分布平面特征作了分析.     

调水工程明渠非恒定流解析近似控制模型研究

本文用线性化圣维南方程研究调水工程明渠输水道多渠段非恒定流,以用于明渠水流运动过程的控制系统设计。文中给出明渠物理属性对渠段水流控制方式选择影响定量分析方法,并推导出以闸门开启面积为控制变量、渠段上下游水位为被控变量的多渠段解析近似传递函数模型。模型准确性通过假设的调水工程输水渠道(包括三段渠段和四个控制闸门)实例验证。     

曲线坐标系下的三维k-ε-A_p固液两相湍流总沙输运模型

本文建立非正交曲线坐标系下的三维k-ε-A,固液两相湍流模型研究弯道内的水流泥沙运动和河床冲淤变形.河床变形计算采用推移质模型和总沙模型两种处理方法.两相湍流模型在计算推移质输运时采用泥沙的横纵向速度处理推移质的强度和方向,利用泥沙垂向速度计算悬沙与床沙之间的交换通量.计算发现两相湍流模型的河床冲淤变化分布结果比单相湍流模型的结果更接近试验结果,两相湍流总沙模型计算结果中局部区域的水深比两相湍流床沙模型计算得到的水深小.床面变形以及固液两相横纵向流速分布分析比较表明,泥沙运动的横向和纵向分布对床面变形的影响起重要作用,单相湍流模型在计算弯道内的推移质运动时夸大了二次流对泥沙横向输运的作用.     

恒定有压扩散流局部非稳态现象数值模拟研究

三维数值模拟采用大涡模拟(LES)方法,小尺度涡的影响采用RNG亚格子模型。通过瞬时流场结构分析,发现在恒定流状态下扩散段内存在流动的局部非稳态(流动)现象。结合速度历时过程及其频谱分析,探讨了此现象产生的原因,指出扩散段内水流运动由低频摆动运动和高频脉动运动组成,主流的低频摆动是由分离区漩涡的横向振荡诱发的。基于不同雷诺数(Re=500~56000)及边壁扩散角度(5~10度)扩散段内水流运动局部非稳态现象的统计特征,指出对称边界条件下主流在扩散段内做准周期摆动,高雷诺数(Re7000)时其摆动的统计特征不受雷诺数影响;水平扩散段不产此现象的极限扩散角为7度。壁面压强历时过程的频谱分析表明,对称边界条件下扩散段内产生局部非稳态现象时,边壁压强的时域过程并不对称,但频域过程基本对称。计算结果和试验结果基本吻合。     

分期导流围堰束窄河床二维水流特性模拟及分析

围堰束窄河床水流是水利水电工程建设过程中经常遇到的一种流动现象.束窄河床的水流条件不仅与围堰坡脚冲刷与护固关系密切,而且还会影响施工期围堰河床的行洪和通航,因此束窄河床水流条件的变化和影响历来是施工部门关注的重点.本文以分期导流围堰束窄河床水流为研究对象,采用控制体积法建立平面二维水流数学模型对其运动进行模拟.根据试验观测的水面线和断面流速分布资料,对数学模型进行验证.在此基础上,根据数值模拟结果分析比较了4种束窄度下围堰附近的水流运动特性,结果表明,围堰束窄度越大,其上游的壅水程度、进口附近的水流跌落、束窄段水流流速以及下游回流范围也越大,下游水深恢复到不受围堰影响的位置也越靠近下游,但束窄段水流却随着束窄度不同呈现出不同变化.     

明渠水流相似模拟超声速气体空腔流动的研究

基于热力学、流体力学基本关系式,采用微积分变换,推导了超声速气体流动和明渠流动的相似模拟的基本公式,总结了相似参数的对应关系、限制条件及应用范围。基于特征线法设计了喷管,并设计搭建了明渠水流试验台,采用高速相机和压力脉动传感器,完成了明渠空腔水流流动的试验。试验结果表明,弗劳德数为2.0、流量为11 m3/h的空腔流动,其压力脉动主频为2.09 Hz。本文通过试验验证了可压缩气体流动与明渠水流流动之间的相似性,该研究方法在国防工业中具有广阔的应用前景。     

分形分析方法在电树枝结构研究中的应用

聚合物绝缘材料中电树枝结构复杂多样,不同结构电树枝具有不同的分形维数。本文利用Matlab编程,采用计盒维数法对不同结构形状电树枝图像的分形进行了分析计算。计算结果表明电树枝形状越复杂,其计盒分形维数和局部分形维数越大。在二维平面上,电树枝的计盒分形维数越小,其发展空间越大,发展速度越快。不同结构电树枝的稳定局部分形维数分布在一定的范围内,因此可以从分形维数理论上对不同结构形状的电树枝进一步进行分类。本文基于所提出的方法,分别对聚乙烯及聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料中不同生长阶段和复杂结构的电树枝进行了分析计算。