悬板分层水流流动特性的测试研究

利用激光测速仪首次对悬板分层水流流场特性进行了测试研究，并分析了其对输沙过程的影响，得出以下结论：１．设置悬板不仅能引取表面清水，而且加大了悬板下冲沙廓道内的纵向流速，有利于排除来流中的推移持泥沙；２．不同的悬板关部体型对流场的水流结构有明显的影响，相对于流线型头部体型来说，皮氏堰头部体型能加大廓道内的纵向流速，有利于冲沙，不足之处是过堰水流流速较大，易于产生冲击波；３．在满足工程布置要求的条件下     

长江河口北槽近期盐淡水混合与悬沙输运研究

基于2013年枯季大潮期间在长江口北槽河道现场定点观测数据(包括潮流、悬沙浓度、盐度),通过对盐水入侵影响水流结构及泥沙运动过程的分析,对北槽河道盐淡水混合与悬沙输运进行了研究。结果表明:观测期间,北槽河道纵向及垂向受不同程度的盐度梯度影响,涨落潮过程中垂线流速不再保持无潮河流的分布规律,河口水流结构发生改变,促使出现上层水流向海、下层水流向陆的河口环流。在多重因素作用下,特别是环流阻碍了河流泥沙的正常下泄,并有利于底层泥沙上溯,出现上层输沙向海、下层输沙向陆的现象。各段河道中,垂向净环流项均向陆输沙,但向海的平流输沙及潮泵输沙作用更强,所以观测期间悬沙表现均为向海净输移。     

长江河口南槽近期滩槽水沙输移特性分析

为了深刻认识近期长江河口演变趋势,依据2005,2006年和2010年长江口南槽滩槽洪枯季实测水文泥沙数据,分析了主槽与浅滩的水动力条件及悬沙浓度的时空分布特征。利用机制分解法,研究了河口滩槽间泥沙输移及交换机制。研究结果表明,长江口南槽主要以往复流为主,落潮流速大于涨潮流速。随着水深变浅,水流流速过程线存在差异,使不同区域的水流挟沙能力和输沙过程不同。输沙以平流项输沙通量为主,但潮泵作用在南槽地区泥沙输移中也占有重要地位,形成"主槽出沙、浅水进沙"的输沙模式,促使南汇边滩前缘缓慢淤涨。     

水流作用下的悬沙垂向扩散系数

利用华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的波-流-泥沙变坡水槽,进行系列二维均匀流平衡输沙情况下悬沙扩散特性研究实验.根据实验数据,计算不同水流情况下的悬沙浓度垂向分布,确定悬沙垂向扩散系数及它的垂向分布.所得结果表明悬沙垂向扩散系数与水流扩散系数成正比,其比例系数正比例于摩阻流速;悬沙扩散系数的垂向分布可用抛物线来描述.     

高含沙水流长距离输沙机理与应用

高含沙水流在我国多沙河流中普遍存在，而对河道危害严重。本提出高含沙水流长距离输进机理与条件，在进一步研究高含沙水流不淤流速及输沙临界坡降的基础上·提出长距离高含沙输沙渠道的设计计算方法。以黄河下游水抄特性为背景指出天然河道及人工渠道输沙的异同，探讨了高含沙水流在泥沙处理、节约输沙用水等方面的应用前景。     

两相非均质流输沙平衡关系及挟沙力研究

对非均质流挟沙力研究现状分析表明,目前悬移质水流挟沙力公式存在的问题:一是未能正确反映水流势能转化为动能过程中必须考虑的阻力因子;二是未能正确处理泥沙颗粒的非均匀性特点;三是未能正确计算悬液黏度对颗粒沉速的影响。本文基于大量室内平衡输沙试验及野外河渠准平衡输沙观测资料,建立了非均匀沙悬移质输沙平衡关系,得到了新的适用于各级含沙量的非均匀沙悬移质挟沙力公式。进而根据建立的输沙平衡关系,得到了挟沙水流的不淤流速及阻力坡降关系,可用于河道治理及渠系设计。     

泥沙输移与水流强度指标

利用大量的实验室水槽和天然河道输沙资料，研究了各种水流强度指标与泥沙输沙强度的相关关系。结果表明，水流功率、平均流速、沙粒切应力能较好地预测输沙率而单位水流功率、佛汝德数、Velikanov参数则较好地预测输沙浓度。其中单位水流功率与输沙浓度的关系最佳。     

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。     

漫滩水流的水流结构及其悬沙运动

本文通过漫滩水流的水槽试验,对其水流结构和悬沙运动作了比较详细的分析.水流漫滩后,随着滩槽之间水流动量的横向传递,泥沙也随之发生横向输移;在一定水位范围内,主槽的流速、含沙量和输沙率都较平滩水位的小,滩地的则增大.并对平滩流量作为造床流量,作了理论上的解释。     

基于ADCP的长江口推移质运动遥测技术研究

利用ADCP底跟踪技术遥测了长江河口北港段推移质运动过程,并对推移质运动状态进行了分段研究。结果表明:无推移质运动状态下,测量误差主要受近底悬沙影响,推移质流速沿水流方向被高估;部分推移质运动状态下,推移质运动视速度与垂线平均流速呈指数相关;普遍推移质运动状态下,两者线性相关显著,且推移质运动速度误差将随流速变化而改变,测量精度主要受脉冲长度和近底悬沙影响。基于ADCP测量数据的推移质单宽输沙率公式合理有效,可以用于河口推移质输沙率的快速定量。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE FLOW THROUGH HANGED-PLATE OF THE TWO-STOREY INTAKE

ＮＯＭＥＮＣＬＡＴＵＲＥＡ ,Ｂ　ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎＣａ,Ｃｂ 　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＣｆ 　ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＤ0 　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｈａｎｇｅｄ ｐｌａｔｅＦｒ0 　ｔｈｅｆｒｏｕｄｅｎｕｍｂｌｅｏｆｕｐ     

排沙漏斗悬移质泥沙运动数值模拟

排沙漏斗是一种利用立轴旋涡实现水沙分离的二级排沙设施。为了探明排沙漏斗悬移质泥沙运动特征和排沙机理,采用欧拉-拉格朗日方法模拟了排沙漏斗水气沙三相流动,其中水相和气相采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法描述,悬移质泥沙用颗粒轨道模型描述。通过对计算的悬移质含沙量垂向分布与实验结果的对比,验证了数学模型的可靠性。计算结果表明:在漏斗室外侧区域含沙量分布整体上较均匀,在漏斗室内侧区域的近底部存在一个明显的高浓度带。作者认为,上述排沙漏斗悬移质泥沙含沙量分布特征主要是由排沙漏斗内的二次流引起的。     

挟沙水流卡门常数的理论研究

挟沙水流的流速分布,特别是其中的卡门常数,一直是冲积河流水力学研究的热点问题之一.实测资料表明挟沙水流流速分布仍遵循对数流速分布规律,但在主流区的卡门常数要小于清水时的卡门常数,而在近底区的卡门常数与清水基本一致.在引入颗粒切应力的基础上,从理论上推导了同时适用于主流区和近底区的统一流速分布模型.利用该流速分布模型,得到挟沙水流的卡门常数沿垂线是变化的结论,即从近底区的约0.4渐变到主流区的小于0.4.并给出了主流区卡门常数的理论表达式,认为主流区卡门常数与近底区的泥沙浓度和泥沙粒径有关.该卡门常数的理论公式与实测资料较为吻合.     

体型参数对旋流排沙渠道水沙特性的影响

为明确关键体型参数对渠道和排沙洞内水沙特性的影响,在模型试验研究的基础上开展了旋流排沙渠道的水沙两相流数值模拟。结果表明:起旋室高度对截沙率影响较为显著,最大相差5.41%;排沙洞直径、倾角和起旋室出口宽度对分流比影响显著,最大相差8.13%,增大倾角后改善了原排沙洞封闭端因壁面条件影响而产生的泥沙淤积;起旋室出口宽度对渠道内水沙特性基本无影响;不同体型下旋流排沙渠道均可高效、持续排沙,截沙率均大于90%,经过起旋室后,高含沙水流从排沙洞流出,下游渠道含沙量急剧减小。     

Large-eddy simulation of suspended sediment transport in turbulent channel flow

The numerical simulation of the non-cohesive sediment transport in a turbulent channel flow with a high concentration is a challenging but practical task. A modified coherent dynamic eddy model of the Large Eddy Simulation (LES) with a pick-up function is used in the present study to simulate the sediment erosion and the deposition in a turbulent channel flow. The rough wall model is used instead of the LES with the near-wall resolution to obtain the reasonable turbulent flow characteristics while avoiding the high costs in the computation. Good results are obtained, and are used to analyze the sediment transport properties. The results show that the streamwise vortices play an important role in the riverbed erosion and the sediment pick-up, which may serve as guidelines for the sediment management and the water environment protection engineering.     

黄河下游游荡性河道双岸整治模型试验研究

为检验游荡性河道双岸整治方案的可行性,选择了黄河下游花园口-夹河滩河段开展了动床模型试验,分析了该河段双岸整治工程在大、中、小水期间的控导性能以及对排洪能力、河道输沙能力的影响。试验表明：双岸整治工程在小浪底水库泥沙多年调节运用的条件下,初期(下泄清水期)起到了护滩的作用,阻止了河槽的展宽,使冲刷向纵深方向发展,河势得到了有效控制;在水库利用洪水排沙期,河道具有很强的输沙能力,在以洪水排沙输沙为主、清水冲刷与少量小水挟沙的共同作用下,能维持输沙的基本平衡。     

Large-scale 3D numerical modelling of flood propagation and sediment transport and operational strategy in the Three Gorges Reservoir,China

Sediment deposition carried by flood flow is the main cause of reservoir sedimentation. This can be reduced by an appropriate operational strategy of flood flow and sediment in the reservoir. High-precision and large-scale hydrodynamic models to predict flood propagation and sediment transport in reservoirs are extremely important for an efficient flood forecasting and real-time joint regulation of water and sediment in reservoirs. In the present study, the three-dimensional (3D) numerical semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model (SCHISM) was adopted to model the flood propagation and sediment transport in the approximately 280-km-long reach in the Three Gorges Reservoir. This model is mainly focused on analysing the asynchronous movement characteristics of flood propagation and sediment transport and the operational strategy of sediment peak regulation. The flood event in July 2013 was reproduced by the numerical model, which was validated by a comparison with the measured data. The results indicated that the numerical model has the ability to accurately simulate the flood propagation and sediment transport processes. The time that the sediment peak lags behind the flow discharge peak increases as the flood waves propagate downstream, reaching 8.1 days at the dam site. During the rising period of the flood, the discharged flow is lowered to reduce the flood peak, and when the sediment peak reaches the dam, the discharged flow is increased to release high concentration sediment during the flood recession period so as to reduce sedimentation in the reservoir. The model results agreed well with the measured results. The 3D numerical model can be used for the real-time prediction of the arrival time of the flow discharge and sediment peaks for the joint regulation of water and sediment in the Three Gorges Reservoir.     

沙坑局部含沙水流特性的数值模拟研究

分析了FLUENT流体商业软件用于河流动力学问题研究的难点和可行性,应用混合物模型对存在矩形沙坑的河道分清水和含沙水流2种情况进行了数值模拟并对比分析。计算结果表明:水沙耦合计算模式的混合物模型可以较好地模拟河道中的水沙两相流输移现象;泥沙相对流体的动量影响明显,且降低了收敛速度;泥沙会抑制水流的内部紊动。沙坑内部拐角处会形成涡旋的次生流,造成向上游的溯源冲刷和下游的淤积。     

生物絮凝泥沙运动输移数学模型

近几十年来,河流中生物絮凝泥沙的运动输移对河流生态系统与水工建筑物等造成的影响,已逐渐成为一个研究热点。本文将泥沙运动输移模型与生物絮凝机理模型耦合起来,构建生物絮凝泥沙运动输移数学模型,以预测富营养水生态系统中生物絮凝泥沙运动输移过程中的浓度及水位变化。模型中,通过求解一维非恒定流圣维南方程来计算水流,将生物絮凝视为导致悬浮泥沙絮团粒径变化的主要因素,通过不饱和非均匀输沙(泥沙/絮团)方法来模拟生物絮凝泥沙的运动。利用文献数据和室内水槽实验来验证生物絮凝泥沙运动输移数学模型,模拟结果与实验数据吻合较好,表明所构建的一维数学模型可以较好地模拟生物絮凝泥沙的输移特性。     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。