明渠交汇口三维水力特性试验研究

支流汇入主流后，在交汇口下游附近形成复杂的流动现象，对于确定渠道有效过流断面、泥沙及含有物质输移及淤积、渠底及边壁冲刷等产生重要影响。本文目的在于采用试验手段探索干支渠交汇口的三维流动结构。在一个矩形断面且等宽、45°交汇的半封闭自循环水槽中，应用五孔毕托球对明渠交汇口三维流动特性进行了试验研究。试验结果表明，对于给定交汇口形状及尺寸，分离区形状基本保持不变，尺寸随主支渠流量比变化并具有较好的相关关系；在和主渠轴线正交的横断面上交汇水流存在横向分速，水面附近横向分速指向交汇口对侧固壁，临底附近横向分速指向交汇口一侧。对于流量比较大的汇流流动，断面环流是交汇口水流三维流动的一个重要特征。     

掺气对明渠流速分布影响的试验研究

为揭示掺气对明渠流速分布的影响,采用针式掺气流速仪对3种不同掺气形式的水流分布进行测量,分析结果表明:在掺气发展区无论自掺气水流还是强迫掺气水流,其断面垂线流速最大值都在水面以下;各断面相同位置处,强迫掺气水流流速都大于自掺气水流对应的流速;无量纲垂线流速分布曲线都保持类似指数分布规律,在近槽底附近,指数介于6～6.5,而曲线后半支较指数分布平缓.     

数字粒子图像测速中相关分析算法的改进

通过限制相关分析的搜索范围，改进相关分析的搜索路径，可减少计算工作量，并提高了分析结果的准确性和可靠性。     

粒子图象测速技术及其在垂直进水口漩涡流场中的应用

本文通过粒子图象测速技术的改进，提出了数字可调脉冲光照和象增强技术，实现了在低功率激光照明下获得高象的流动图象，从而提高流速测量的范围和精度。     

船舶对明渠水流运动的影响模型试验研究

为了探求船舶对于明渠水流运动的影响,利用水位测针和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)系统分别测量了明渠水流中不同吃水工况下船舶前、后的沿程水深及流场,分析了位于船舶中间纵剖面上的流速分布特征。结果表明：(1)相较于无船工况,船前水深略有增加,船后水深略有减少;且船舶对水深的影响程度随着吃水深度的增加而增加,有船与无船水深的比值最大为1.071,最小为0.951;(2)船舶中间纵剖面上纵向垂线流速分布从船头前“J”型向船舶底部的“?”型转变,流经船尾后逐渐恢复为“J”型,且在船头附近形成下潜水流、船尾附近形成上升水流;(3)在船舶吃水深度为0.6h时,纵向(沿水流方向)与垂向(沿水深方向)上都出现各个工况下的最大流速,纵向流速最大值达到无船时平均纵向流速的2.11倍,位于船头附近(x/l=-2/5);下潜水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的71%,位于船头附近(x/l=-0.5);上升水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的29%,位于船尾附近(x/l=2/3)。     

PIV技术在冰盖下复式断面渠道流速测量中的运用

在测定冰盖下复式断面流场、流速的模型试验中,水体中的运动粒子是重点研究对象。粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术已在水力学研究领域得到普遍应用,但该技术在冰盖下复式断面渠道模型试验的应用为国内首次。基于试验特点,设计砖砌混凝土的循环水箱,采用变频器配合水泵、流量计实现对流量的定量控制,对不同流量下不同断面的流场、流速进行测定,采用PIV技术对水体中运动的粒子的位移场进行具体分析。试验结果表明,PIV分析结果能够直观反映流场中的状态,且可以避免测量盲区,其所测的流速与多普勒超声测速仪测得值吻合较好,并给出了横向流速分布图,弥补了传统方法无法获得冰盖下的流场分布的难题。     

高分辨率粒子示踪测速技术在光滑明渠紊流黏性底层测量中的应用

在光滑明渠紊动水流的研究中,黏性底层具有重要的作用,壁面剪切应力与涡量均源于此流区。由于充分发展明渠紊流的黏性底层的物理尺度在0.1 mm量级,常规方法难以实际测量该区内的速度分布。本文构建了测量黏性底层的高分辨率HR-PTV与测量全流区的普通PIV的耦合测量系统,对光滑明渠紊流黏性底层的流动特性进行了研究。HR-PTV系统采用阈值递增法、灰度截断、椭圆度与充实度指标等方法进行图像处理得到清晰的粒子图像;使用匹配几率法对粒子坐标进行匹配,计算粒子速度。得到了明渠紊流黏性底层(0.3 mm以内)的平均流速、紊动强度、偏态系数和峰度系数的垂线分布。从拟合的平均流速分布得出摩阻流速u*,结果与牛顿流体本构方程一致;黏性底层与全流区的时均流速、紊动强度和雷诺应力均能用拟合所得的u*合理无量纲化,并能光滑连接,表明由此得出的u*适用于全流区。将明渠紊流的各种分布与封闭槽道流DNS数据进行对比,验证了HR-PTV在黏性底层所得各阶速度矩的准确性。     

弱动力水流中粘性泥沙作用下水流流速沿垂线分布的试验研究

采用玻璃水槽试验的方法探讨了弱动力水流中粘性泥沙作用下水流在水流条件、含沙量及水质条件共同影响下,流速沿垂线的分布规律.结果表明:弱动力水流流速的垂线分布有其自身的特点,流量较大或含沙量较小时,都基本遵循对数分布规律;流量较小且含沙量足够大时,流速的垂线分布呈横向抛物线形,并出现明显的分层现象;此现象出现后,当含沙量较大、流量减小,或流量较小、含沙量增大时,流速极大值增加、位置向床面下移,流量较小、含沙量较大时,随着钙离子浓度的增加,流速极大值增大,且其位置更贴近床面.     

基于改进PIV技术的库区滑坡涌浪试验研究

针对滑坡涌浪试验中内部运动场数据缺乏的问题,采用改进的粒子图像测速技术搭建滑坡涌浪试验平台,选取理想黏塑性材料卡波普作为滑坡材料,通过示踪粒子荧光染色技术对滑坡体和水体两相进行区分,实现了两相内部流态的同步观测,并解析出相应的速度场矢量图,进而基于速度场数据计算了入水滑坡体质量和平均速度的变化曲线,并分析了两相耦合过程中的动量变化过程线。研究结果表明滑坡和水体两相的动量变化趋势与滑坡体入水动量具有较高的相关性,可为两相耦合的动量转换机理理论研究提供更加复杂、多元的数据支撑。     

基于PIV测量技术的变曝气量下气液两相流速度场研究

粒子图像测速技术(PIV)作为一种无扰的全流场速度测量手段,在多相流研究领域具有较高的学术意义和实用价值。本研究针对曝气过程中的复杂气液两相流动,使用高速摄影机获取气液两相流流场的高帧图像,再通过图像预处理手段及PIV测速算法得到气液两相流速度场信息,并对不同工况下气液两相流的流态流速规律进行了研究分析。本文提出的图像预处理方案,通过采用图像的运动目标分割、降噪与反相等手段进行图像预处理,可以有效地减少后续速度场计算中的信息量及误差。研究结果为工业生产过程中有效提高曝气效率提供了重要的参考依据。     

高帧频明渠紊流粒子图像测速系统的研制与应用

研制了一套明渠紊流二维水槽试验系统,并开发了图像采集和数据处理软件,该系统测量频率高,局部图像最高频帧可达800Hz.应用于试验水槽水流的测量结果得出雷诺应力在距床面0.1h(水深)以上沿深度呈线性分布,纵向时均流速垂线分布在y =30以上基本符合对数律,纵向紊动强度在y =50以上基本符合指数分布,与现有的研究成果吻合,证实了系统的可靠性.     

入汇主河的泥石流龙头运动机理研究

作者基于野外观测资料和模型试验，提出了泥石流与主河交汇的两种模式，即：有上下分层交汇和无明显分层的潜入式交汇。建立了潜入式交汇的泥石流龙头运动方程，并讨论了模型参数的取值。计算结果得到以下结论：当主河水流费劳德数比较小(Fr＜0.35)时，入汇主河泥石流龙头在主河的运动速度近似以线性减速，且与试验值吻合较好；混合流粘滞系数和绕流系数对龙头运动速度影响较大；泥砂沉降速度对龙头内部体积比浓度有显著影响。     

Y型明渠交汇水流分离区的数值分析

针对Y型明渠交汇口的水流特性,应用三维各向异性的雷诺应力模型,采用交错网格上的有限体积法离散控制方程,用SIMPLE算法求解压力-速度场。数值计算结果与物理模型试验结果吻合较好,并据此重点探讨了不同交汇角条件下交汇口分离区尺寸的变化规律,提出Y型交汇水流分离区的定义和分离区尺寸与汇流比的函数关系。     

利用数字图像处理技术测量浓度场的实验研究

利用数字图像处理技术是当前研究环境污染物扩散机理的重要手段。该文通过水槽实验,分析了污染物图像的灰度与污染物的浓度、光源的距离以及排放口所在水深的关系,并建立了污染物浓度与图像灰度关系的方程。利用该方程对射流在横流中测量的图像进行了浓度场计算,得到的结果与实际情况吻合较好,因此,该方法能广泛应用于物质扩散机理的研究。     

水流交汇区的水动力学特性数值模拟

为开展水流交汇区污染物浓度分布研究,进行水流交汇区水动力学特性的数值模拟,建立适用于水流交汇区的水气两相流数学模型。模型采用Weber试验数据进行验证,验证结果表明模型模拟的自由水面、流场与试验结果吻合较好。针对交汇区浓度分布试验的研究需要,模拟分析了不同交汇角、流量比和动量比对交汇区水动力学特性的影响。研究结果表明:分离区的范围随交汇角、流量比和动量比的减小而逐渐缩小直至分离区消失,交汇角、流量比和动量比越小,交汇口上游水位的壅高及分离区内水位的下降程度越不明显。     

嘉陵江入汇对长江干流水流特性的影响研究

由于长江干流与其支流——嘉陵江的集雨区域不一样,加上其西部山区洪水暴涨暴跌的特性,该支流汇流比的变化范围非常宽。在此背景下,借助原型观测数据分析以及二维数模计算,研究嘉陵江汇流比变化对长江干流河段水流特性的影响规律。本文研究结论将为研究河段的河流研究提供有益的理论依据与技术支撑,同时也能为相似河段的分析研究提供思路借鉴。     

粒子测速系统在潮汐河口河工模型试验中的应用

在潮汐河口河工模型试验中采用粒子测速(PIV／PTV)系统测量流场，具有快速、精度高的优点，开发的PIV／PTV系统数据处理分析软件，可实现模型试验中流场的可视化。     

泥石流入汇主河情况下交汇口附近变化规律的试验研究

本文在试验的基础上，分析了泥石流入汇主河后，汇口附近各水力参数的变化规律。探讨了泥石流入汇后下游水位相对壅高与流量比以及交汇角的关系，得出相对壅水高度随流量比及交汇角的增大而增大的结论。分析了主河在入汇口附近的淤积变化规律。在30°、60°和 120°交汇情况下，淤积量随支流流量及流量比的增大而增大；淤积率则随总流量增大而减小，在主支流量相当时出现最大值。90°交汇时，淤积量随支流流量及流量比的增大而减小；淤积率随总流量增大而增大，在主支流量相当时出现最小值。平均及最大淤积深度在主支流量相当时出现最大值。顺河向交汇时，淤积深度最大值随交汇角增大而增大，120°交汇时淤积深度与30°交汇时相当。     

泥石流堵江影响因素试验研究

对影响泥石流堵江的各因素进行了试验研究。结果表明，泥石流入汇角、泥石流与主河的流量比、泥石流入汇总量等的增大有利于堵江现象的发生，而主河宽度和主河比降的增大则不利于泥石流堵江，泥石流密度与主河临界堵江流量呈现一种抛物线性关系。