三峡水库库区上段水流特性分析

三峡水库的蓄水运用,使其河道型库区内水流有了明显的壅水型非均匀流特征,其流态的改变显著影响着泥沙输移和洪水传播特性。采取专门实测资料,分析库区上段的三维流速及紊动强度沿垂线的分布特征。结果表明:三峡水库上段纵向流速沿垂线分布基本符合对数流速分布公式,横向流速分布受地形影响较大,垂向流速明显,且方向一般向下;沿程各断面纵向、横向及垂向水流相对紊动强度分布比较均匀,尤其是垂向水流紊动强度沿程随着壅水程度的增大有增大的趋势。壅水型非均匀流在垂向流速及垂向紊动强度的分布特点,将给库区泥沙运动、尤其是悬移质含沙量沿垂线分布带来明显影响。     

斜向射流入水垫塘淹没射流区的紊动特性

采用粒子成像测速技术(PIV),获得了水垫塘冲击射流全域瞬时精细流场,在此基础上,对淹没射流区的流速分布规律和水流紊动特征进行了系统研究。结果表明:淹没射流区射流横向断面的流速、紊动强度分布呈自相似分布规律;在射流纵向,射流轴线最大流速随着流程增加而呈-1次幂规律减小,射流半扩展宽度和紊动强度则随流程增加而线性增大;并提出了描述淹没射流区射流横向断面流速、紊动强度分布规律的方程,同时得到淹没射流区射流纵向上流速、半扩展宽度和紊动强度沿流程变化的计算公式。     

进/出水口出流扩散脉动流速规律试验研究

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态,拦污栅断面脉动流速很大,可能危及拦污栅安全,其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置,利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大,流速脉动值可达时均值的1.8倍,平均紊动强度为0.724,该断面流速脉动呈现出明显的正态性,其概率密度分布基本服从正态分布;水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中,紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律,水流在输水隧洞段脉动流速小,在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大,脉动流速值接近时均值,甚至大于时均值,进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。     

植被群密度对河道水流紊动特性影响的试验研究

为探讨植被群密度对河道水流紊动特性的影响,试验设置了8组不同密度的植被群,用均匀圆柱形竹签模拟非淹没的刚性植被,采用ADV测量三维瞬时流速。通过对比分析,发现植被群下游紊流结构分布有较大变化。在植被群末端,紊动能横向分布随着植被群密度的增大表现为两种形式,低密度时趋向于波峰状,高密度时则在植被群左右两端各有一个波峰;在植被群后紊动能的纵向分布中,沿程表现为“波峰-波谷-波峰”状分布,随着密度的增加,紊动峰值之间的距离缩短,且两个波峰表现出不同的变化趋势。植被群末端紊动增强,在紊动强度的垂向沿程分布中,植被群越密,下游紊动强度的波动越大,并在尾部出现翘曲的现象,当密度达到一定程度时,弯曲度趋于稳定。     

三角孔多孔板下游空化流场的PIV剖析

采用粒子图像测速仪(PIV)对不同类型的三角形孔口多孔板下游空化流场的流动特性进行了量测,分析了孔口大小(边长a=2.6 mm,4.0 mm,5.1 mm和6.7 mm)、孔口数量(n=9,16,25和64)和孔口排列(棋盘式和交错式)对多孔板下游时均流速、紊动强度及紊动切应力分布的影响。结果表明,多孔板下游的时均流速、紊动强度及紊动切应力呈现不同程度的锯齿状分布,适当地缩小孔口、增加孔口数量,并将孔口布置为交错式排列有利于多孔板下游水流的掺混、紊动和剪切作用;在试验设计的不同规格三角形孔口多孔板中,孔口边长a=4.0 mm、孔口数量n=25且孔口为交错式排列的多孔板下游空化流场的流速梯度最大、紊动剪切作用最为剧烈。     

连续分布均匀沉水植被明渠水流流速分布比较

植被影响下的河道流速分布是评价河道行洪能力的重要指标,关系到河床稳定与河道安全。以连续均匀分布的沉水植被为研究对象,系统评述了国内外对河道植被水流流速分布的研究进展,从紊动特性阐述了流速分布剖面形成机理,剖析了分区流速解析模型和平均流速模型研究现状和存在不足,基于文献数据,评价了现有平均流速模型适用性及准确度,认为目前对于植被水流流速求解多集中于均匀流条件顺直型河道、植被类型及形态单一的连续均匀分布植被,未来流速模型应针对沉水植被阻力系数、植被影响下的河床应力、非均匀流状态及有限尺寸内柔性植被斑块等方向作进一步研究。     

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。     

进水口随机出现的漩涡试验研究

进水口随机出现的漩涡转变为贯通性吸气漩涡时将对工程结构产生危害,但目前对这种随机出现的漩涡的研究很少.本文通过水槽试验,考虑来流边界的时均流速分布、紊动强度、水面波动强度以及进水口周边脉动压力等,对进水口随机出现的吸气漩涡的特征和影响因素进行研究.试验发现,进水口附近水面随机出现的吸气漩涡数量的历时过程具有和紊流相似的"拟序结构"特性.来流边界的水流紊动特性、水面波动以及进水口周边边界的壁压脉动等同步观测分析表明,来流边界的水流紊动显现的水面微波是进水口附近随机出现的漩涡的诱因.     

珠江虎门河口洪季潮流近底边界层水流结构研究

研究河口近底边界层水动力结构对进一步研究河口地区水流能量耗散和物质输运具有重要意义,2006年7月26～28日在珠江虎门口采用ADV、ADP及OBS和CDT组合置底支架观测系统对近底边界层水流、泥沙和温盐度进行了水下定点观测,本文通过分析流速观测数据,对该潮汐河口近底边界层的水流结构、阻力特性和紊动尺度进行研究,结果表明除憩流附近外,近底边界层内时均流速分布均可采用对数剖面,摩阻流速值与时均流速基本成正比,平均摩阻流速为0.014m/s,粗糙长度为0.09mm,切应力梯度为0.426N/m~2·m;脉动流速统计分析结果符合典型潮汐河口底边界层的紊动特点,距床面0.15m处,落急时刻宏尺度紊动的时间尺度和长度尺度分别为3s和0.06m;垂向脉动分速以及瞬时雷诺应力自相关分析表明转流附近时段的湍流主要以低频大尺度紊动为主.测量分析结果可为下一步研究近底边界层泥沙运动提供依据,并为数值模拟计算提供水动力分析条件和特征参数.     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。     

盐度层化对水体紊动特性影响的实验研究

采用双层横向振荡格栅生成的紊流分别研究了纯淡水和不同盐度梯度层化水体的紊动特性。通过声学多普勒流速仪和设计开发的多通道微型盐度测量仪同步测量了水体紊动和盐度的历时变化过程,分别从水体紊动的均方根流速、紊动强度和紊动能谱等紊动特性的变化分析了盐度层化对水体紊动的影响。实验结果表明盐度层化会抑制水体紊动,减弱水体紊动强度,并且盐度梯度越大水体紊动抑制程度越大。定义了表征振荡格栅紊流中水体层化程度的无量纲层化参数,水体紊动抑制率随层化参数的增大而增大,拟合得到层化参数和紊动抑制率的关系式。     

缓变曲线改善120°弯道水沙运动的三维数值模拟

人工河道的弯道段大多曲率单一,水流动力轴线的曲率与弯道曲率难以匹配,导致了流固分离和弯道二次流的产生。针对弯道曲率突变问题,引入两种插有缓变曲线的弯道形式,研究缓变曲线对120°弯道水沙特性的影响和流态的改善。运用MIKE 3水动力模型和泥沙输移模型对单曲线弯道、缓圆缓弯道和对称凸弯道进行数值模拟,对比分析不同弯道型式在冲刷和定床两种工况下的近底流速、水面横比降和超高、弯道环流和河床冲淤变形。研究结果表明：插有缓变曲线的两种弯道可以遏制弯道中水体湍动的发展,改善120°弯道水流的流态,能够有效减小弯道凹岸冲刷、凸岸淤积的现象,缓解河床的冲淤变形。     

地区电网光伏消纳能力的提升策略

针对大规模光伏发电功率倒送造成传输通道发生阻塞的问题,提出一种传输通道潮流评估模型。利用传输通道负载率期望评估传输通道的负载率水平,利用传输通道潮流熵确定传输通道功率波动剧烈程度,在此基础上采用传输通道阻塞二维评定等级值判定传输通道发生阻塞的可能性大小。应用模糊数学的隶属度函数来决策消纳能力提升措施类型,利用逐步扩展法和灵敏度系数法分别指导网络解与非网络解的实施。通过某地区实际电网算例对所提方法的有效性进行了验证。     

三峡工程引航道布置方案与泥沙研究

本文介绍了三峡工程上、下引航道布置方案与引航道内泥沙淤积及清淤措施的研究情况。通过对三峡工程上、下游引航道不同布置方案水流条件及泥沙淤积的研究,最终选择的全包隔流堤方案基本满足了各种工况下通航水流条件;采用适当流量动水冲沙和机械清淤相结合的措施,可以取得较好的清淤效果,从而保证航道的通畅。     

山区大比降河流寸滩河段卵石推移质输沙率研究（Ⅰ）—无量纲输沙强度

中国西部存在大量比降大、相对光滑度小、河床组成粒径粗的山区大比降河流,本文针对其河流特性,选择寸滩河段作为代表计算河段,搜集了1954~2007年5233组实测资料作为基础资料,分析比较了6个经典推移质无量纲输沙公式的计算精度。参照计算精度最高的Fredsoe(1976)式的思路,假设输沙强度Φ与有效水流强度Θ*成幂次关系,以水流强度与泥沙起动临界水流强度为主要变量,建立了寸滩河段的推移质无量纲输沙公式。通过对比,本文公式能很好地反映寸滩河段推移质输沙规律,计算精度较经典公式有一定提高,可为该河段的水沙研究提供借鉴与参考。     

Vectrino Profiler在明渠紊流测量中的适用性研究

为测试声学多普勒流速仪(ADV)在明渠紊流测量中的适用性,在水槽中进行了系列试验,重点研究采样频率及安装高度对测量结果的影响。试验中使用诺泰克公司(Nortek)生产的新型ADV产品Vectrino Profiler及清华大学研制的PIV系统对水流同步测量。测量结果的对比分析显示,该型号ADV有如下特点:(1)存在准确度最优点,位于探头正下方约5 cm处;(2)采样频率对流速时均值的影响可忽略不计,对紊动参数的影响很大;(3)Vectrino Profiler在紊动参数的测量中,只有在优点处的计算结果较为可靠,最优点外数据可信度不高;(4)当测量区域靠近水面或床面时,测量误差都会变大。本文研究结果表明,在将Vectrino Profiler用于明渠紊流测量时,需要合理选定测量频率和探头安装位置,否则可能会导致错误结果。     

基于河流阻力参数与活动指标的河型判别法

冲积河流在行进过程中受阻力作用,河道断面形态及平面形状参数将作调整,以适应不同的水沙条件,并趋向河流的相对平衡状态,由此导致不同河型的产生。决定河型两个主要因素：一个是水流推动力,一个是河流活动性。河流水流所受到的阻力与河流水流推力,是一个问题的两个方面,是作用力与反作用力。基于河流阻力规律,考虑植被对河岸强度的影响,通过引入河床与河岸活动指标构成的河流活动指标,分析得到了表征河型变化的判别标准曲线,经模型小河资料和天然河流资料检验发现,提出的河型判定参数能够很好地区分河型类别。