生态浮床对水流水力特性影响研究

运用水槽试验和三维水动力数学模型,研究了生态浮床串联居中排列、无间距交错排列工况下的水流水动力特征及其变化规律,结果表明:浮床无间距交错排列水面壅高高于浮床串联居中排列的;浮床无间距交错排列的流场具有不对称性,水流较为紊乱,局部位置形成旋涡;浮床交错排列形成的旋涡及紊流有利于污染物扩散、分解,但是阻水作用明显,若考虑河道行洪排涝,浮床串联居中排列要优于无间距交错排列。     

生态浮床对河道水流阻力效应试验研究

采用水槽试验方法研究了不同水流条件、不同布置形式下生态浮床对河道水流阻力特性的影响,结果表明:试验条件下,生态浮床增加了水流阻力,造成上游水位壅高,流经生态浮床附近的水流流速迅速降低,床体两侧涡纹明显;生态浮床的等效附加糙率为0.006～0.043,在相同流速条件下,水深越深,等效附加糙率越大,浮床居中布置较浮床交错布置等效附加糙率更大些。     

液压坝群对变曲率河道水力特性的影响

通过在变曲率水槽中加入液压坝群,研究了4种工况下水槽轴线上纵向流速沿垂线的分布、紊动能及水面变化特性。结果表明:①无液压坝时,变曲率河道中顺直段的垂线流速最大值出现在距水槽底部0.4倍水深处;在过渡段及弯顶附近近水面流速最大;加入液压坝群后,各液压坝上游断面沿水深方向的流速变化很小,最大值出现在距槽底0.4倍水深处,而各坝下游断面流速分布及大小差异较大。②对于4种不同工况,紊动能沿水深方向均减小。液压坝的存在减小了河道中水流的紊动能,无液压坝与液压坝全部竖起时各水深处紊动能均值沿水深方向的比值分别为1.80(距槽底0.8倍水深处)、3.02(距槽底0.4倍水深处)、5.92(距槽底0.2倍水深处),表明液压坝对近槽底处紊动能的影响更大;当液压坝的中间扇放倒后,河道紊动能沿程分布变化较大,且紊动能值也较其他工况大,呈波浪式分布。③竖起的液压坝越多,最末级液压坝上下游水位差越大,最大为0.245倍静水深。     

湟水与黄河交汇区水力特性数值模拟

河流交汇区在流域系统治理中发挥着控制节点作用。为探究中国西北地区典型Y型天然河流交汇区的水动力特性,以湟水与黄河交汇区为例,构建交汇区紊动水流二维水动力数学模型进行数值模拟研究。结果表明：湟水与黄河交汇区存在典型的高流速区,且其位置和大小与汇流比有关;交汇区在各水文条件下均未形成明显的水流分离区;受干流顶托影响,支流入汇口左右岸会出现反方向回流区,沿水流方向呈翼状贴合壁面分布,其形态随汇流比发生变化。交汇区水流紊动能较大的区域分布在水流剪切层和下游右岸,在各水文时期,随着汇流比增大,剪切层紊动能减小;随着干流流速增大,交汇区下游右岸紊动能增大。本研究可为该交汇区及下游的河道治理、水环境保护及防洪减灾等提供理论基础。     

堆积体影响下陡缓坡河道水流特性研究

滑坡、泥石流等地质灾害常在河流岸边形成堆积体,占据主河道过流宽度,改变原有水流流态,影响行洪与航运安全。基于前期水槽试验,利用数值模拟设置多组坡度条件,研究了沿程水面线、流速、水流偏转及紊动能变化规律,探讨了堆积体影响下陡、缓坡河道水流特性。结果表明:由于陡、缓天然水流流态差异,其断面比能大小与坡度成正比,在堆积体影响下,水流特性存在明显差异;陡坡上游壅水高度大于缓坡,动能较大使水流惯性更强,因此堆积体中轴线附近的水流偏转幅度与紊动强度相比缓坡有明显提升;在堆积体下游,缓坡水流通过水跃消耗能量,各项水流特征逐渐恢复到天然状态;陡坡条件下由于天然水流处于急流,流速持续增大,边壁折冲流频繁且幅度较大,导致水流紊动较强,并在下游出现多个紊动能量核。研究结果进一步揭示了不同底坡下堆积体河道水流特性,可为地震次生地质灾害区的河流治理及河床演变研究提供参考。     

壅水条件下水流阻力试验研究

壅水条件下的水流阻力及输沙特性,在水利工程的应用中占有十分重要的位置。对壅水条件下河道开展概化水槽试验,采用声学多普勒测速仪ADV对水流流速进行了测量,并对壅水条件下水流阻力和床面切应力等进行了分析。结果表明壅水条件下,水流流速沿垂线分布较均匀流条件下更加均匀,当壅水程度越大时,水流流速沿垂线分布越均匀,且流速分布大致上仍服从对数率分布;壅水条件下,随着水深的增大,摩阻流速不断减小;壅水条件下河道水流阻力系数随着非均匀系数及水力半径的增大而增大;引入壅水程度指标,并拟合得到了床面切应力随壅水程度指标的变化关系式。成果可为壅水条件下水流结构特征及输沙规律的研究提供参考。     

桩墩影响下的水动力数值模拟

建立平面二维数值水槽模型,将桩墩作为不透水边界处理,利用三角形加密网格精确模拟桩墩形状,计算分析缓流河道中单排桩墩影响下水位和流速的变化,并探讨了方墩与圆墩对水流变化的影响差异以及糙率与紊动黏性系数对壅水数值的敏感性。研究结果表明:①桩墩引起的水流变化沿纵、横向呈现出不同的分布形式,沿横向呈波状分布。墩身上游主要表现为水位壅高,流速减小;墩身下游则表现为水位跌落,流速在墩间区域增加,而在墩后区域减小。②方墩对水流变化的影响比圆墩大;上游壅水随糙率变化较小,但对紊动黏性系数的变化较为敏感。     

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。     

种植凤眼莲河道的水流三维数值模拟

采用VOF法对种植凤眼莲的河道的自由水面进行跟踪,将凤眼莲聚集带简化为多孔介质区域,在考虑惯性损失的情况下按不分区和分区2种方案分别对河道水流进行三维数值模拟。数值模拟结果与试验结果的对比表明:分区方案在模拟水位壅高、流速分布、紊动特性等方面均比不分区方案更符合实际情况;用分区多孔介质模型模拟凤眼莲河道水流是可行的。     

斜交桥梁对山区河流行洪影响分析

为准确评估山区复杂工况条件下斜交桥梁对河流行洪的影响,建立MIKE21FM水动力模型,以拟建浮渡河大桥为例,分析不同频率设计洪水条件下斜交桥梁对河流水位及流速的影响。结果表明,急流条件下桥梁对河道水位壅高的影响较缓流条件下要大,并且随着斜交角度的增加而增加,在桥梁设计过程中应尽量保持桥梁轴线与水流方向正交,以减小桥墩对河道行洪的影响;拟建浮渡河大桥能够使河道水位壅高,桥下流速越大,并且随着洪峰流量的增大,水位壅高和流速增加越明显;受水流流态及斜交角度的影响,杨家沟铁路桥处水位壅高及流速增加均大于下游陈屯铁路桥;斜交桥梁对山区河流行洪影响需要引起重视。     

Influence of artificial ecological floating beds on river hydraulic characteristics

The artificial ecological floating bed is widely used in rivers and lakes to repair and purify polluted water. However, the water flow pattern and the water level distribution are significantly changed by the floating beds, and the influence on the water flow is different from that of aquatic plants. In this paper, based on the continuous porous media model, a moveable two-layer combination model is built to describe the floating bed. The influences of the floating beds on the water flow characteristics are studied by numerical simulations and experiments using an experimental water channel. The variations of the water level distribution are discussed under conditions of different flow velocities（ v= 0.1 m/s, 0.2 m/s, 0.30 m/s, 0.4 m/s）, floating bed coverage rates（20%, 40%, 60%） and arrangement positions away from the channel wall（ D= 0 m, 0.1 m, 0.2 m）. The results indicate that the flow velocity increases under the floating beds, and the water level rises significantly under high flow velocity conditions in the upstream region and the floating bed region. In addition, the average rising water level value（ARWLV） increases significantly with the increase of the floating bed coverage rate, and the arrangement position of floating beds in the river can also greatly influence the water level distribution under a high-flow velocity condition（v ？0.2 m /s）.     

基于生态浮床的乡村微污染河道水质净化研究

为了综合解决乡村河流微污染问题,文章以上夹河退水渠河道微污染水体为对象,以净化能力强且观赏性较好的9种水生植物为试验供试植物,构建了单一植物型生态浮床,研究了植物型生态浮床对水体中氨氮(NH4^+-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)等指标的去除情况,结果表明:9种植物生态浮床对乡村微污染河道水体中污染物的去除率有一定差异;其中,象草、芦苇、水葫芦对NH4^+-N去除率较高,分别为54.58%、61.04%、67.50%;黄菖蒲、美人蕉、水葫芦对TP去除率较高,分别为83.93%、86.26%、89.17%;黄菖蒲、风车草、水葫芦对COD去除率较高,分别为31.82%、31.83%、33.39%;该研究能够为植物型生态浮床技术在今后乡村微污染河流中的应用提供理论指导。     

Coupling of the flow field and the purification efficiency in root system region of ecological floating bed under different hydrodynamic conditions

The artificial ecological floating bed is a commonly adopted in situ treatment technique for repairing and purifying polluted water. The plant root system of the floating bed is the primary region to absorb and degrade the pollutant of water. Its inner flow field characteristics and the interactive water quantity with the surrounding water greatly impact the purification efficiency of the floating bed. In this paper, the particle image velocimetry(PIV) technology and the boundary velocity direct extraction method are used to study the velocity distribution of the root system region by numerical simulations and experiments in an experimental water channel. A pollution removal rate(PRR) evaluation model is built to calculate the PRR by coupling with the flow velocity field of the root system region. The variations of the total pollutant removal rate(TPRR) are discussed for different center distances( L= 0.30 m, 0.45 m, 0.60 m), flow velocities( v= 0.007 m/s, 0.015 m/s, 0.025 m/s, 0.040 m/s, 0.055 m/s, 0.070 m/s) and root system porosities( P= 54.73%, 68.33%, 79.17%). The results indicate that the position arrangement of the floating beds influences the TPRR significantly, and the distance should be limited in a reasonable range for a high purification efficiency. Moreover, the root systems with higher porosity( P= 68.33%, 79.17%) have higher TPRR value than a lower porosity root system(P= 54.73%) within a certain flow velocity range, and the higher porosity root system has less fluctuation of the TPRR value than a lower porosity situation within a wide flow velocity range. Furthermore, under the same center distance condition, the lower flow velocity condition brings about a significantly higher TPRR value than the higher flow velocity situation.     

推移质运动对清水和宾汉体泥浆湍流结构的影响

通过试验研究了清水湍流和泥浆湍流中加入推移质后时均流速分布、脉动强度、概率密度分布、相关系数、频谱密度分布等的变化.试验结果证明,清水和泥浆湍流中加入推移质后时均流速减小,时均流速梯度增大,脉动加强.泥浆过渡区湍流上部为层流,有流核,加入推移质后,上部层流转变为湍流,流核消失.分析证明,这是由于推移质运动增大了雷诺应力和时均流速梯度,因而增大了时均流动向脉动传递的能量的缘故,清水湍流中加入推移质后脉速概率密度分布偏离正态,偏态系数加大.泥浆湍流中加入推移质后相关系数降低,脉动的随机性增大.泥浆湍流的脉动能量集中于低频脉动.由于推移质也可以吸收低频脉动能来支持其运动,所以加入推移质后泥浆湍流的低频脉动能量降低,高频脉动能量增大.     

鱼道进口补水消能数值模拟研究

鱼道设计中常采用进口段开挖设置补水消能池的方式提高鱼道进口流速,强化其诱鱼、集鱼、进鱼能力。而补水水体与消能池水体掺混,会对鱼道内水体产生明显扰动,导致鱼道内（消能池部位）流态紊乱。为了能够完整捕捉尺度小、变化复杂的紊动流场结构,获得适合鱼类洄游的紊动能分布,采用三维数学模型对某电站鱼道进口补水消能复杂三维流场进行模拟研究,求解紊动能参数,优化了盖板补水消能方案。研究结果表明：在消能池顶部设置盖板,补水水流自盖板间的缝隙进入鱼道,可强制将大尺度紊流涡团变成小尺度涡团,涡团尺度变小后,黏性切应力易于将紊动能转化成内能而耗散掉,使鱼道内紊动能降低;另外,通过调整盖板缝宽,使补水出流相对均匀,也可降低紊动能;缝宽首尾窄、中间宽的布置型式使各缝隙垂向流速分布较为均匀,有利于鱼类洄游。研究成果可为此类工程过鱼设施进口段设计提供科学理论依据,以获得稳定、均匀的补水水流,提高鱼道进鱼能力。     

淀山湖千墩浦河口生态浮床试验工程净化效果

在淀山湖千墩浦河口实施生态浮床试验工程,利用多种水生植物浮床系统净化水质.结果表明:浮床区DO质量浓度比千墩浦来水、浮床区进水分别提高2.06、0.38 mg/L,透明度分别提高8.1、7.4 cm;浮床区的Chl-a质量浓度年均值均小于20 μg/L;浮床试验工程对千墩浦来水TN、TP、COD、SS的去除负荷分别为1...     

生态浮床的净水作用与实施方法及发展前景探讨

本文从作为"五水共治"首要任务的"治污水"出发,结合嘉兴河道特点,叙述了"生态浮床"的净水作用与实施方法,提出了应提高水生无土栽培技术,引导"生态浮床"从单一的净水及景观功能向水生果蔬开发方向发展,促使人们自愿养护管理"浮床"、乐于收割水生植物,从而拓展"生态浮床"发展前景的观点。     

Effects of Rigid Unsubmerged Vegetation on Flow Field Structure and Turbulent Kinetic Energy of Gradually Varied Flow

The influence of rigid unsubmerged vegetation on flow structure and turbulent kinetic energy of gradually varied flow are experimentally investigated in this research. Natural reed stems of different densities are employed to examine the effects of the rigid unsubmerged vegetation on the flow in rivers. The results reveal that the vegetation existence significantly changes the gradually varied flow state from type M1 to type M2 in the vegetation section. The traditional power law describing the vertical flow velocity profile is evidently invalid when the vegetation density becomes high. With the irregularity index proposed in the research, the irregularity of vertical flow velocity profile in vegetated reach can be exponentially described in relation to the vegetation density. Furthermore, the turbulent kinetic energy is found to increase and reach a maximum value near the end of the vegetation section that is a potential localized erosion area. The results of the research have significances in river ecological restoration applications utilizing aquatic vegetation. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

淤泥质床面上减阻流动的紊动特征

本文对不同密度的淤泥质床面上水流运动的流速分布、减阻特征、紊流度、紊动猝发周期和能谱结构进行了系统的实验研究，并与刚性床面的结果进行了比较分析，结果表明：淤泥质床面具有减阻、增速、抑制紊流猝发产生和减小紊动耗散率的作用。     

部分冰盖下水流水力特性数值模拟

运用Fluent软件建立雷诺应力模型,模拟不同冰盖覆盖度下恒定均匀流流场,从纵向时均流速、二次流、雷诺应力、紊动能等方面揭示部分冰盖下水流的水力特性。结果表明：岸冰的形成会导致冰盖下水流在断面上重新分配,明流区流速增大,冰盖下流速减小;横向动量交换产生复杂的二次流结构,涡体形状、数量、大小和位置随着冰盖覆盖度的增加而变化;雷诺应力断面分布较复杂,冰盖附近区域雷诺应力为负值,负值区范围与冰盖覆盖度密切相关,并凸向明流区;冰盖、边壁和床面的粗糙度不同导致紊动能在断面上的分布呈现出明显的差异,冰盖区紊动能大于明流区的值,反映出岸冰对冰盖下水流结构影响的复杂性。