梅花形阵列粗糙床面明渠紊流特性

梅花形阵列粗糙是常见的床面粗糙形态,但其水流紊动特性参数在颗粒间的沿程变化和不同象限间的分布差异等研究仍较薄弱。采用不同颗粒大小和排列间距的圆形玻璃珠制作了3种梅花形阵列粗糙床面,基于明渠紊流的PIV水槽试验资料,探讨了无量纲纵向紊动强度T_u、雷诺应力R和紊动能E的分布规律。结果表明:① 颗粒顶部以上区域的T_u、R、E沿程基本呈条带状变化,受颗粒影响较小,而颗粒顶部以下区域则受颗粒影响明显,沿程变化相对复杂,表现出一定的周期性和分区性,并可分为颗粒区和粒间区。② 颗粒顶部以上区域T_u、R、E的垂线分布基本重合,颗粒顶部以下区域则波动明显,分布曲线呈“S”和倒“L”等形状。③ 粒间区各象限的R、E沿程变化较为平缓,接近水平线,第2、4象限的R、E总体大于第1、3象限;颗粒区各象限的R、E沿程分布呈“∪”状并在沿程位置参数x+ = 0附近有最小值。研究成果对鱼道及航道工程设计等具有一定的指导意义。     

人工床面形态明槽水流的紊动性量测

使用两部件多普勒激光测速仪量测周期性一维人工定床上恒定平均水深的明槽均匀流的平均值和紊动特征值。研究了相同高度（水深的20％）和波长（高度的12．5倍）但三角形形状不同的两种床面形态：①由平坦区分隔开来的三角形隆起;②用缓坡上游面替代平坦区的近似沙垅的三角形隆起。研究了基于平均能坡和平均水深的总剪切流速作为可能的流速尺度的作用。对于远离床面的流区,流速差和雷诺剪应力分布通常极近似于平整床面的纵剖面。当使用总剪切流速作为尺度时,在充分远离回流和再附着区．大部分深度中的水流紊动特征值吻合得相当好,但是在水流较下区域,并不遵循平整床面的特性。揭示了对清水量测值和总悬移质榆沙率计算的可能关系。     

潮流紊动特性试验研究

开展潮流的紊动特性研究,对于了解潮汐水域泥沙及污染物输运机理、保护生态环境具有重要意义。本文通过水槽试验系统全面地研究了潮位正弦变化的往复流紊动特性随潮变化规律,以100 Hz的高采样频率连续采集主流区测点三维瞬时流速,根据移动平均法及最小二乘原理计算时均流速过程曲线,据此分析了紊动强度及雷诺切应力随潮变化规律、特征潮时概率密度分布与正态分布的差异,以及脉动流速的紊动能谱。研究结果表明,水流纵向流速随潮近似于正弦规律变化;纵向、横向与垂向的相对紊动强度在转潮阶段出现峰值;涨急与落急时段,与纵向脉动流速相关的雷诺切应力相对较大,纵向与垂向脉动流速概率密度分布偏离正态分布;特征潮时的脉动能谱密度均随频率增大而减小,水流能量主要集中在10 Hz以内。     

粗糙床面明渠水力特性研究

粗糙床面非均匀流的水槽试验表明，非均匀流断面的垂线流速分布需用两个对数公式分别描述；粗糙床面的流速分布较光滑床面不均匀；非均匀流的紊流度分布随相对水深的增大而趋于均匀；粗糙床面非均匀流糙率系数的变化规律与光滑床面近似。     

植物坝覆盖区明渠二维两相流场紊动特性研究

漂浮植被占用了行洪断面面积,增大了河流的阻力,遇到障物后,造成河道严重堵塞。通过室内物理模型试验和数值模拟的方法,研究、分析大面积覆盖水面的漂浮植被对河道泄洪能力、河道水体结构、水流特性的影响。根据紊动强度和雷诺应力沿程变化,从波动幅度上看,植物覆盖区波动幅度较大;对根茎区,无植物覆盖但受影响区紊动强度不大,但较无植物覆盖时的明渠水流有明显增大,植物坝覆盖区及植物坝前缘区变化显著,尤其是植物坝前缘区的紊动强度波动很剧烈。     

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。     

挟沙水流紊动扩散系数的研究

本文通过理论分析，得到剪切紊流中紊动粘性系数υt(紊动扩散系数)沿水深服从F-分布，用于计算悬移质含沙量沿垂线分布与Rouse公式、张红武公式一致，规律符合实际，可用之于紊流计算与分析.     

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。     

矩形明渠中矩形边墩周围紊动强度和雷诺应力分布特性试验

利用声学多普勒流速仪(ADV)测量矩形断面明渠中矩形边墩周围不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算出水质点的三维相对紊动强度和雷诺应力,分析其变化特征。试验表明,紊动强度和雷诺应力在边墩周围明显增大且具有相类似的分布特征。该研究可为水流的紊动结构、丁坝与桥梁矩形边墩的水流紊动特性和冲刷机理提供验证资料。     

人工加糙对明渠紊动特性影响的试验研究

利用激光测速仪,对光滑壁面及人工加糙的明渠紊流进行了试验,测量了光滑壁面、水力过渡面、水力粗糙面不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速及脉动流速。通过实测资料分析了人工加糙对明渠紊流紊动强度的影响,得到了光滑面、过渡面及粗糙面紊动强度的发展变化规律。     

闸下应用废旧轮胎消能防冲的水流紊动特性

使用废旧轮胎对海漫进行柔性加糙,是提高消能防冲效率的有效方法。通过水工模型试验,量测了加糙后三维流速的分布情况,并计算出水流质点的三维相对紊动强度和雷诺应力,分析其变化特征。结果表明:海漫加糙后,表层水流的紊动强度和雷诺应力最大,两者具有相似的分布特征。     

含柔性沉水植物明渠水流运动特性试验研究

采用激光多普勒流速仪(LDV)试验研究含柔性沉水植物的水流运动。试验结果表明:流速沿垂线分布呈S形,分为3个区域,即植物内部区、过渡区和上部区。植物密度对过渡区内流速影响显著,在该区内,植物密度越大则流速梯度越大。含植物水流的紊动强度和雷诺应力都明显增大,它们在垂线分布上有相似之处,都是在植物顶层的位置上达到最大值,说明在此区域内存在较强的能量交换和剪切作用;二者在植物顶层上部区域随着水深的增加而减小,在植物内部区随着水深的增加而增大。     

变断面明渠柔性植物水流特性试验研究

在变断面明渠,利用ADV测量流速,研究断面突然扩大情况下模型植物和真实植物的水流特性。结果表明:在水流稳定区域,布设真实鸢尾草和塑料鸢尾草模型的流速分布、雷诺应力分布和紊动强度分布具有一定相似性;雷诺应力和紊动强度在相对水深为0.6～1.1区域达到峰值,且从峰值区域向两端递减,总体上植物下部区域的紊动强度比植物上部区域大;同种植物紊动强度沿x、z方向的分布形式存在较大差别,紊动强度存在明显各向异性。     

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。     

含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

明渠紊流与床面形态相互作用研究进展

结合国内外最新研究动态,从明渠紊流与床面形态相互作用的研究方法、明渠紊流特点、紊流对沙波形态的影响、床面形态对紊流的反作用等方面对明渠紊流与床面形态相互作用进行了综述。当前明渠紊流特性、二维沙波床面水沙运动特性等方面的研究已经取得丰富成果,但尚不能很好地解释天然河流中的水沙输移机理;由于试验测量方法的限制,复杂床面条件下的水沙相互作用研究在相当长时间内没有取得突破性的成果,亟需探索和引入无干扰、高精度的三维瞬态全场测量技术;床面几何形态、沙波发展演变方面的研究相对成熟,但床面的稳定机理尚存在分歧,理论模型和数学模型均不够完善,尤其沙波内部渗流与明渠紊流综合作用下的床面稳定性和泥沙运动特性研究还比较少,是今后进一步探索的方向,其成果可为揭示三维沙波床面紊流与泥沙相互作用机理提供必要的前提。     

矩形水槽中梯形边墩水流紊动特性试验研究

采用声学多普勒流速仪ADV,对矩形水槽中梯形边墩周围水流紊动特性进行系统的试验研究,并对紊动强度3个方向分量进行了较深入的分析。根据试验数据,通过对柱体周围不同垂直面上紊动强度的分析对比,得出行进水流受到边墩的影响程度,在柱体上游,受到柱体挤压,紊动强烈;在柱体下游,水流从柱体分离,形成逆向回流,紊动强度增大,垂向紊动强度很小,可以忽略。实验可为研究水流紊动结构及桥梁梯形边墩的紊动特性提供验证资料。     

有桩群河道水流紊动特性探究

为了分析桩群对河道水流紊动特性的影响,利用声学多普勒流速仪(ADV)测量了矩形断面明渠中在修建桩群前后不同断面不同垂线、不同测点的三向流速,计算出水质点的三维无量纲化的紊动强度,并分析其分布规律和变化特征.试验表明:水流的横向紊动强度和纵向紊动强度具有相似的分布规律;纵向紊动强度远远大于横向和垂向紊动强度;桩群使水流垂向紊动强度变化幅度最大,该试验研究可为桩群对水流结构的影响分析提供参考.     

溢流坝反弧段水流的紊动特性

本文利用一维和二维激光测速系统,对光滑溢流坝面反弧段水流进行了精细的量测.对反弧段边界层的各种紊动特性进行了分析研究.给出了沿反弧段坝面x方向(流向)和y方向(法向)紊流强度和的分布,以及反弧水流边界层紊动切应力的分布规律.可以看出,反弧段水流紊动特性具有明显的特点,与陡坡上的水流不同,边界层内紊动及掺混明显加剧,尤以边界层中部增加最为突出.边界层以外的外流区仍存在着一定的紊动及掺混,且沿程在不断地发展.本文通过对紊动比尺及功率谱的研究发现,反弧段涡旋比尺大大增加,大尺度涡旋的形成对反弧段水流的紊动结构有较大的影响.