挟沙水流试验研究

通过开展挟沙水流试验,对河槽断面的纵向时均流速横向与垂向分布、瞬时流速频率分布、紊动强度垂向分布规律进行了研究,最后分析了断面宽深比对张瑞瑾公式的影响.得出如下结论:在相同横断面面积、流量情况下,随着断面宽深比的减小,准二维流动的中心区所占河宽比例减小,断面流速分布更加趋中;挟沙水流主流区流速垂向分布基本上仍然符合对数分布,随着含沙量的增大,卡门常数k有减小的趋势;中垂线上各点瞬时流速频率分布基本上符合正态分布;靠近水面处紊动强度最弱,紊动强度随相对水深的减小而增大,随后紊动强度随相对水深的减小而减小;随着断面宽深比的减小,张瑞瑾公式中的系数呈增加的趋势,流量幂指数呈减小的趋势.     

沉水植物对水流结构与泥沙淤积的影响

为了研究水生植物对水流结构和泥沙淤积的影响,针对不同布置的沉水植物进行33组浑水水槽试验. 结果表明,矮株植物区流速冠顶下为二次多项式分布,以上为对数分布;考虑相对株距的影响,建立矮株植物区紊动强度的双高斯垂线分布公式,按该公式计算的流速和紊动强度与实测资料较吻合. 高株植物区流速呈“C”型分布,紊动强度以冠顶附近最大. 3种株距布置时,混合植物冠顶以下平均流速为无植物时的32.5%~72.3%. 提出小弗汝德数（Fr≤0.18）条件下矮株植物区相对淤积增量与水流强度和相对株距的非线性关系. 在相同水流和株距下,混合植物淤积量高达无植物时的7倍,高株植物次之,随着株距的减小促淤效果逐渐增强.     

水垫塘冲击射流附壁区的水力特性

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,并在此基础上,对附壁射流区的流速分布规律和水流紊动特征等水力特性进行了系统研究.结果表明:在附壁射流区,射流横向断面的流速、紊动强度分布呈自相似分布规律,具有自由射流的特征;在射流纵向,流速随着流程增加而线性减小,射流半扩展厚度和紊动强度随流程增加而线性增大;并提出了描述附壁射流区射流横向断面流速、紊动强度分布规律的方程,同时得到了附壁射流区射流纵向上流速、半扩展厚度和紊动强度沿流程变化的计算公式.     

基于随机位移方法的植被水流纵向离散研究

在天然河道中,离散主要是由纵向流速在横断面分布的不均匀所引起,当河道中存在部分挺水植被时,流速分布的不均匀性更加明显。为了研究部分挺水植被水流中的纵向离散,假设各变量在垂向是不变的,模拟一个由流向和横向组成的二维域,引入了基于拉格朗日观点的随机位移模型,该方法直接使用独立运动的离散颗粒来描绘物质的输移,不再需要求解随流扩散方程。随机位移模型主要根据水深平均流速和横向紊动扩散系数的横向分布来确定污染物的分布。其中,流速横向分布公式采用了基于剪切涡的简化经验公式,该公式的优点在于不用对二次流系数进行率定,且物理意义明确;另外,利用量纲关系及遗传算法给出了剪切涡外层宽度的显性经验公式,分析可得剪切涡外层宽度主要由水深和河床阻力决定,植被的直径和密度对于涡旋外层结构影响较小;根据以往实测资料,提出了横向紊动扩散系数的横向分布模型,揭示了横向紊动扩散系数在交界处远大于稳定区的动力特性。为了验证随机位移模型预测的准确性,在长直部分植被水槽进行了室内试验,流场中不同点的浓度过程线的实测值与模拟值吻合良好,表明随机位移模型可以有效地模拟部分挺水植被水流纵向离散,为生态河道污染物混合输移的评估提供了新的方法。     

水流紊动流速传感器

本文所介绍的传感器,是利用贴有应变片的弹性元件,在紊动水流中产生受迫振动,输出与水流紊动成比例的讯号。这种传感器可以在清水中,又可以在含沙量高达700公斤/米~3的水流中测量水流紊动流速。传感器的测量范围,大约为(2—180)厘米/秒。利用这种传感器可以测山水槽中任一点任一时间间隔的脉动流速,而且还可以在以秒计的短时间内测出水槽中沿垂线的断面流速分布,显示出时均流速的分布规律和紊动强度的分布特征。曾从不同的角度采用多种实验方法来验证,证明所测记录确实代表水流的紊动流速。这种传感器的主要弱点,是在水中测量时,或多或少地要影响水流的原有状态。     

有低矮植被覆盖的河道水流特性试验研究

通过室内水槽模型试验,探讨了有低矮植被生长的河道糙率变化、时均流速的垂线分布以及紊动强度的垂向变化规律.把植被区的垂向流速分布从河床表面到自由液面按有无植被的影响划分为3个区域,试验结果表明:时均流速垂线分布单调递增,增大到大于平均流速的某个值后达到稳定,之后流速分布为半对数分布;纵向、横向及垂向3个方向紊动强度最大值均出现在植被层顶部,且相同测点处存在T(x)>T(y)>T(z)的关系.经过试验分析认为:河道种植植被应选择远远处于淹没状态的较低矮的品种,且种植密度不宜太稠密,可起到固滩护岸、又不至于降低河道的泄洪能力的效果.     

排桩式波浪能发电装置附近流场特性研究

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和k?ω湍流模型,研究单排桩式振荡水柱式波浪能发电装置在规则波作用下的桩基附近流场特性. 通过物理模型实验验证所建数值波浪水槽的准确性. 模拟规则波作用下装置附近的流场特性,分析装置附近的涡特征以及其对装置附近泥沙冲刷情况的潜在影响. 结果表明,测试工况下,在桩式振荡水柱装置桩柱体的桩基附近观察到马蹄涡和尾涡现象,马蹄涡强度随着Keulegan–Carpenter（KC）数的增大而减小,尾涡强度随着KC数的增大而增大. 马蹄涡因强度过小,在模拟的KC数范围内不是装置桩基泥沙冲刷的主要因素,高强度的尾涡很可能成为装置桩基附近泥沙起动、输运和冲刷的重要影响因素.     

基于ADV的推流式曝气池流场特性研究

曝气池内横向水流对气泡的生成过程有明显的影响,曝气对池内流场也有明显影响。为进一步研究曝气池内流场特性,采用声学多普勒流速仪（ADV）对大尺度Orbal曝气池模型内的流场特性进行了实验研究。结果表明：水流经过弯道后流速分布呈现出内侧小、外侧大的特点,且存在横向流速;进入直段后,流速分布不断调整,内、外侧水流流速差减小,且较浅水深时,流速调整较快。开启曝气盘后与清水时相比,曝气盘上游断面,近水面处流速减小,水面下较深处流速增大;曝气盘下游断面,近水面处流速增大,水面下较深处流速减小;曝气盘下游紊动强度明显增强。     

含植被浑水的水动力特性和紊动特性试验研究

为了研究含植被浑水的水流特性,基于水槽试验分析了纵向流速、雷诺应力、相对紊动强度的分布情况.结果表明:①无植被时,沿垂线方向水流纵向流速分布呈"J"形;有植被时,受上游植被干扰的区域沿垂线方向其水流纵向流速分布呈"S"形,未受上游植被干扰的区域沿垂线方向其水流纵向流速分布呈"J"形.②在植被淹没状态下,雷诺应力最大值位...     

刚性淹没双层植被明渠水流紊流特性研究

文章采用标准 紊流模型,结合雷诺平均Navier-Stokes方程,对刚性淹没双层植被明渠水流特性进行了研究。计算所得的流速值与实测值吻合良好,表明计算方法可行。进而根据空间及时间的双平均理论,给出了双平均条件下的明渠流速,雷诺应力及紊动能分布,并对紊动能平衡方程中的各项进行了分析。结果可以看出,刚性双层淹没植被作用下,垂向流速分布曲线由三个拐点将其划分为四个区域;雷诺应力及紊动能分布在植被顶端明显增强,高植被顶端各项值均大于低植被顶端相应值;紊动能平衡方程中的紊动耗散项及压力耗散项在紊动能平衡方程中起着主导作用;植被顶端区域产生的涡,通过喷射和扫掠作用使其附近水体发生质量及动量交换。     

弯曲型河道水流流速分布及阻力试验

弯曲型河道水流运动规律及阻力特性在水利工程许多领域中占有十分重要的位置.对正弦派生曲线、梯形断面的连续弯曲型河道开展了物理模型试验,采用日本ACM2-RS型X-Y方向2轴电磁流速计对水流流速进行了测量,并对水流阻力进行了分析.结果表明,弯顶水流纵向时均流速分布接近抛物线型,最大流速点位于上部水面以下,整体上大下小,而顺直过渡段水流纵向时均流速分布最大流速点位于底部,整体上小下大;弯道段纵向垂线平均流速横向分布沿程依次为自由涡、均匀流及强迫涡分布;弯顶中垂线水流横向环流随流量、水深的增大而增大,零流速点的相对水深值大致在0.4～0.6范围以内;弯曲型河道水流阻力系数随着过水断面平均水深、水力半径的增大而增大,随着过水断面宽深比的增大而减小.     

独头巷道受限贴附射流不同射口形状流场特征数值模拟

为了研究不同射口形状对独头巷道压入式通风流场特征的影响,根据矿山实际情况,在建立了独头巷道受限贴附射流流场数学模型的基础上,采用计算流体力学软件Fluent模拟分析了渐变收缩型射口、渐变扩张型射口和普通射口射流流场的特征分布,结果表明:渐变收缩型射流出口轴线流速与普通风筒相比得到了较大的提高,风流紊动强度最高;渐变扩张型射流出口轴线速度最低,风流紊动强度最低;独头巷道压入式通风受限贴附射流的流场区域可分为贴附射流区、冲击射流贴附区和回流区,渐变收缩型射口各流场区域的风流流速最大;射流风流与壁面贴附后逐步形成圆形镜像体,渐变扩张型射口镜像体面积最大;渐变收缩型射口射流速度和回流速度虽最大,但射流面积最小.     

泥沙浓度与水流紊动的试验研究

通过低含沙水流泥沙浓度分布的试验 ,研究泥沙浓度和紊动强度沿垂线的分布之间的内在联系 ,试验结果表明泥沙浓度和紊动强度沿垂线的分布一致性较好 ,并建立了二维情况下泥沙浓度和紊动强度沿垂线分布之间的关系式 .同时分析了关系式中泥沙浓度、泥沙的中值粒径对系数K的影响 ,中值粒径的影响较泥沙浓度对系数K的影响大 ,系数K随中值粒径的减小明显减小 .并在此基础上进一步建立了泥沙浓度与流速、流速梯度之间的关系     

紊动特性对活性污泥降解污染物性能的影响

为寻求反映活性污泥处理系统水力条件的微观指标,采用PIV(Particle Image Velocimetry)系统研究了搅拌型SBR反应器中不同转速下反应器内的紊动强度分布.利用不同搅拌浆转速下SBR系统降解污染物性能和絮凝体结构、形态分析结果,研究了搅拌主体区和其他区紊动强度对活性污泥处理系统降解污染物性能的影响,提出了搅拌主体区和其他区紊动强度特征值指标反映活性污泥处理系统的微观水力条件.结果表明:随搅拌浆转速的增加,活性污泥反应器内污染物的降解速率常数则随紊动强度的增加先增加后降低.试验中最佳紊动强度指标为搅拌主体区1.4%,其他区0.34%.活性污泥处理系统中的紊动强度特征值指标反映了水力条件的局部差异;搅拌主体区的紊动强度,对污泥破碎的影响显著;其他区的紊动强度与污泥颗粒的碰撞聚集关系密切.     

四种紊流模型模拟弯道水流精度的对比分析

采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、可实现k-ε模型和Reynolds应力模型等4种经典的紊流模型,以连续弯道水流为对象进行数值模拟.根据水槽试验资料,从弯道水流纵比降、横比降及纵向流速分布等方面,对比分析了4种模型模拟结果的精度.认为Reynolds应力模型能更好地再现弯道中复杂的三维紊流特征,具有较高的精度,模拟结果优于标准k-ε模型、RNG k-ε模型和可实现k-ε模型.以单弯道水流为对象,从沿程水面线、纵向流速沿垂线分布、紊动能沿水深分布及环流强度分布特性等方面,检验了Reynolds应力模型的精度.发现在模拟岸边界变化引起的二次流现象时,Fluent软件中的Reynolds应力模型效果优于其他3种紊流模型.     

丁坝绕流及局部冲刷坑二维数值模拟

针对以往常用的丁坝绕流流场计算方法存在的不足，建立了边界拟和曲线坐标变换下的平面二维变水深流函数-涡量数值模型。给出的坐标变换可用于三维；计算紊动扩散系数采用F分布，模型可用于变水深情况。用本文的模型，研究了单个丁坝与不同个数、不同形式的丁坝群产生的流速场与涡量场，给出涡量与局部冲刷坑范围及最大冲深部位。结果表明：计算得出的流函数、涡量、流速合乎规律；丁坝坝头处涡量较大，是形成冲坑的主要原因。方法较通常紊流模型及原参数解简便，为丁坝绕流及局部冲刷坑的数值模拟，开辟了一条新途径。     

复式河槽动能损失强度分析

在复式河槽中，由于滩槽交界面存在强烈的动量交换，使得复式河槽过流能力降低。为了反映动能损失的强度，针对恒定、均匀、紊动水流，提出了横向动能校正系数和动能损失率的概念。通过分析复式河槽动能损失的机理发现：在复式河槽中，横向动能校正系数大于1和动能损失率大于0。分析英国科学工程研究委员会洪水水槽设施的系列试验成果，发现横向动能校正系数和动能损失率与复式断面形态有关。动能损失强度随着主槽边坡系数的增大而减弱，随着滩槽宽度比的增大而增强。对称复式河槽的动能损失大于非对称的复式河槽。对于所有断面形态，动能损失强度先随相对水深的增加而增强，后又随着的相对水深的增加而减弱，最终表现出单一河槽的特性。     

异侧缝-孔组合式鱼道水力特性试验研究

在异侧布置竖缝与矩形中孔组合式鱼道水槽中,利用声学多普勒测速仪(ADV)量测了鱼道水池中的三维瞬时流速,剖析了不同水平面、纵剖面和横断面上的流动特征,给出了时均流速、紊动强度和雷诺应力的变化特征.试验结果表明:水平面上流动特征呈孔口射流与竖缝壁面射流汇聚,并在水池内形成一个顺时针方向的大旋涡;位于孔口纵剖面上的最大纵向...     

黄骅港风生流及紊动的三维特性

通过近15年的建设,黄骅港典型的半封闭式港区于2012年基本建成,3条长导堤对流场和紊动能的分布特征影响显著.基于Delft3DFLOW软件建立黄骅港三维潮流数学模型和紊流模型,将已验证的模型与ENE向6、8级风耦合,研究2012年工况下黄骅港风生流及紊动的三维时空分布特征.通过定量分析可得,ENE向风作用下的黄骅港风生流由东南向西北方向运动,对潮流场的影响显著;与无风相比,6级风作用时流速与紊动能的量值、水平分布以及垂向结构的变化较小,但8级风作用时流速与紊动能的水平分布与垂向结构变化显著,紊动能增加近2倍;垂向平均紊动能与垂向平均流速的分布规律基本一致,紊动能在涨潮期间较落潮期间强;在8级风作用时,风应力在水体表层产生的紊动能明显强于底部边界层作用产生的紊动能,可达2.5倍;长导堤环抱港池内的水体流速和紊动能与港池外相比大幅减弱.     

低弗汝德数水跃特性的实验研究

本文以实测资料为基础,对中低弗汝德数水跃下游的时均流速分布,紊动强度分布和沿程衰减,以及它们与河床冲刷之间的关系进行研究分析,同时对水跃的基本方程,紊动流速的测量和信号处理进行了探讨。