环翼式桥墩挡板形状对垂向水力特性的影响

根据桥墩局部冲刷机理,通过桥墩加装环翼式挡板减小局部冲刷的试验研究,分析了加装环翼式挡板后,水流在桥墩四周的垂向水力特性。试验结果表明:桥墩迎流面中心线的垂向速度在安放挡板位置处有拐点。3种形状的挡板中,形状为A1的挡板的近底垂向流速减小幅度最大,影响水流紊动宽度也最大,同时表层垂向紊动强度、近底垂向紊动强度减小幅度也最大。利用CFD软件进行数值模拟分析发现,与物理模型所得结果相吻合。     

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.     

环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷试验及水力特性

由于传统桥墩冲刷防护措施的局限性,引入新型防冲装置-环翼式防冲板,对圆端形桥墩冲刷进行防护,通过减小下降水流改变桥墩周围水流结构,主动降低了下降水流对桥墩的冲刷。为探究环翼式防冲板对圆端形桥墩局部冲刷的防护作用,采用3种比例圆端形桥墩、3种环翼式防冲板安装位置进行物理模型试验,对圆端形桥墩周围的冲坑特征、垂向流速、垂向紊动强度、紊动切应力等水力要素进行研究。结果表明:安装环翼式防冲板后,3种圆端形桥墩冲刷程度均减小,中圆端形桥墩冲刷减小幅度最大,冲坑体积减小率为30.0%;中圆端形桥墩安装环翼式防冲板后,墩前垂向流速减小为0.039m/s、垂向紊动强度减小为0.025m/s;防冲板上垂面紊动切应力增大,板下垂面紊动切应力减小。试验结果表明环翼式防冲板能够减小桥墩的局部冲刷,具有很高的实用价值。     

透空潜坝附近水流特性的数值模拟

透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性,基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽,对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟,研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明:相同水流条件下,随着透空率的增大,坝后回流流速减小,坝后根部紊动强度逐渐增大,而坝后1~4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小,涡量先增大后减小。透空率不变情况下,在相同断面平均流速条件下随着水深增大,透水率逐渐减小,潜坝附近紊动强度整体减小,但紊动范围变化不大,坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大,涡旋回流强度逐渐增大,潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布,强度逐渐增大。     

三杆六脚体对桥墩周围流场影响的试验研究

为寻求保护桥墩周围河床避受冲刷的有效方式,采用物理模型试验的方法,对三杆六脚透水架体对桥墩周围流场水力特性的影响进行了研究分析。结果表明,三杆六脚透水架体不但能削减穿越其内部的水流流速,在床面附近形成流速减速区域,将墩周马蹄形旋涡和墩后尾流漩涡的作用能量有效地转移到远离床面的水体中,而且还能利用自身扰流消能和实体抗冲的双重特性有效抑制墩前向下水流对床面的冲击。     

透水四面体框架群防护特性及其与抛石防护的对比研究

透水四面体框架群能降低其附近的水流流速、耗散水流的能量,起到减速防冲和促淤的效果,同时也可以保护床沙、抑制局部冲刷.不同的抛投密度防护效果也不同,随着抛投密度的增加,其防护效果几乎线性增强,但达到一定限度后将不再增加.抛石防护是使用历史较早、使用频率较高的一种桥墩局部冲刷防护措施.抛石防护就是将所选石料布设于桥墩周围床面上,用以提高桥墩周围河床床面的抗冲能力.抛石防护主要工作原理是保护床沙、增加其起动或扬动流速;增大桥墩附近局部糙率、减小局部流速.本文采用多组水槽清水冲刷试验,对比分析了透水四面体框架群在不同抛投密度条件下的防护效果差异,及其与抛石防护桥墩局部冲刷的最大深度及其整体防护效果的优劣,为四面体框架群和抛石防护的应用提供一些决策所必须的技术参数.     

植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性

分别选取塑料吸管、鸭毛和塑料大草模拟乔木、灌木和野草，通过水槽试验，探讨了不同滩地植物作用下的浸滩水流紊动特性。试验结果表明，纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本满足正态分布；时均流速与采样时间的长短有关；横向动量交换比垂向动量交换大，横向动量基本上是主槽向滩地传递；不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响不同。滩地种植植物后，水流的紊动强度增强。纵向和垂向的紊动强度相当，都服从S型分布。     

环翼式桥墩最优挡板形状试验

为研究环翼式桥墩的最优挡板形状,基于桥墩局部冲刷机理,进行了不同流量和不同环翼式挡板形状下的环翼式桥墩局部防冲刷水工模型试验。在环翼式挡板延伸长度为45 mm、位置在水深的1/3处,研究了不同流量、不同挡板形状的桥墩最大冲刷深度、三维时均流速及纵向和垂向紊动强度。结果表明:与无挡板相比,挡板前端和尾端宽度都为45 mm时水流垂向流速减小程度最大;纵向、垂向紊动强度减小程度最大;最大冲刷深度可减小57.6%,防冲刷效果明显。     

有植被的河道水流紊动特性模型试验研究

通过物理模型试验,研究了有植被的河道水流紊动特性.试验结果表明,在复式断面河道滩地种植柔性植被后,滩地糙率增大,水流紊动更为剧烈,河道水流紊动强度峰值由原先的滩槽交界区转移到滩地区.滩地的水流紊动强度沿程递减;滩槽交界区的水流紊动强度沿程不断增大;主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关,滩地植被影响了滩地水流的归槽时间,使主槽水流流速沿程增大.     

刚性淹没球冠状植被水流特性试验研究

本文将植被体型概化为由球状树冠和主干组成的树状植被,采用Micro ADV测量了树状植被影响下明渠水流的流速分布,分析了不同流量和水深条件下4组树状植被对明渠水流的影响,着重研究了树状刚性植被水流的平均流动和紊动结构,比较了多个典型位置处水流的纵向流速、垂向流速以及紊动强度。试验结果表明,水深越小,无量纲纵向流速越大;树冠的形状对水流特性的影响较大,在树状植被附近,纵向流速的垂向分布在树干层近似均匀分布,在树冠层先减小后增大,在无植被层符合对数分布;紊动强度在树冠层较大,在树干层和无植被层较小;通过象限分析,发现下扫作用主要在植被层起主导作用,喷射作用主要在自由水层占主导。     

面流消能近底紊动流速特性的研究(面流消能试验研究之一)

本文主要论述了面流消能五种典型流态近底紊动流速特性,总结出了近底时均流速和紊动强度沿程变化规律,提出了近底紊动流速可能出现的最大瞬时值及相应位置的计算公式。面流消能工程的下游防冲设计中考虑的主要水力参数之一是,消能段近底流速紊动可能出现的最大瞬时值及其相应的部位,但目前国内外研究成果较少。笔者通过水工模型试验重点研究了面流消能各典型流态近底流速及其紊动纵向分量沿程的变化规律,并提出了计算公式,为优化面流设计提供科学依据。     

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈"S"形分布,雷诺应力分布无明显规律。     

连续微弯弯道水力特性试验及模拟研究

为了研究河流的连续微弯弯道水力特性,通过建立曲折系数为1.07的连续弯道模型进行试验,并利用Reynolds应力模型进行模拟计算,从水面线、流速场、弯道环流及强度等方面研究了小曲折系数连续弯道水力特性。结果表明:Reynolds应力模型能够较好地模拟连续弯道水流;在同一断面,近凸岸的纵向流速垂线分布接近对数流速分布,近凹岸的纵向流速垂线分布呈随相对水深增大而先增大后减小的规律,呈现“凸肚”形;在弯道环流方面,呈现非对称的双环流结构;水面和槽底处的环流强度大于水体中部,凹岸的环流强度大于凸岸的环流强度。成果为研究小曲折系数弯道的河流水力特性提供了借鉴与参考。     

考虑底部过流的透水框架群阻力系数研究

研究底部过流条件下透水框架群的阻力系数具有现实意义。将透水框架视为大尺度粗糙结构体,利用入侵深度,建立了大尺度粗糙结构体过流的水动力双层模型,将水流沿垂向分为上部自由流动层和底部透水层,得出考虑底部过水和占用过水面积的大尺度粗糙河床阻力系数计算式。透水框架水槽试验的数据表明,框架群铺设后纵向流速随水深变化的垂向分布呈“S”型。利用47组雷诺数为25 000~50 000的试验数据率定出推导公式的形状系数,最终得出透水框架群阻力系数计算式。     

旋流排螺模型初步试验研究

一些传统的水利血防措施(沉螺池、中层取水等)受多种条件的制约,工程效益难以充分发挥,研究新的水利血防措施势在必行。本研究借鉴旋流排沙的原理,研制了旋流排螺模型,并通过模型试验研究装置内的水流特性及排螺效果。结果表明:流量增大,流速以及紊动强度也随之增大;切向流速的径向分布中,靠近边壁的流速较大;在测流垂线上,切向流速分布中则以表层流速为最大;隔板对水流挤压使得在隔板边缘出现较大的轴向流速;模型内缘的径向流速比外缘径向流速更大。轴向紊动强度的分布为中上层大、底层小。在试验流量下,投入一定数量的钉螺,观测到模型排螺率达100%,表明旋流排螺技术是一种行之有效的排螺工程措施。     

Flow characteristics of the wind-driven current with submerged and emergent flexible vegetations in shallow lakes

A pneumatic annular flume is designed to simulate the current induced by the wind acting on the water surface in shallow lakes and the experiments are conducted to investigate the influence of submerged and emergent flexible vegetations of different densities on the flow characteristics(e.g., the flow velocity, the turbulence intensity, the vegetal drag coefficient DC and the equivalent roughness coefficient bn) at different wind speeds. Vallisneria natans(V. natans) and Acorus calamus(A. calamus) widely distributed in Taihu Lake are selected in this study. It is indicated that the vertical distribution profiles are in logarithmiccurves. The stream-wise velocity rapidly decreases with the increasing vegetation density. The flow at the lower layer of the vegetation sees compensation current characteristics when the vegetation density is the largest. The turbulence intensity in the flume without vegetation is the highest at the free surface and it is near the canopy top for the flume with V. natans. The turbulence intensity near the bottom in the flume with vegetation is smaller than that in the flume without vegetation. A. calamus exerts much larger resistance to the flow than V. natans. The variations of DC and bn caused by the vegetation density and the wind speed are also discussed.     

同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究

鱼道是保证鱼类能顺利洄游的过鱼设施。通过竖缝相对宽度分别为0.05,0.10,0.15,0.30,底坡为10%的鱼道模型进行数值计算。采用可视化显示及数据分析的方法分析不同竖缝相对宽度、底坡条件下的同侧竖缝式鱼道的水流结构特征。通过模型模拟,分析水流沿水深方向的流速分布情况、主流区最大流速沿程分布及沿程衰减情况,以及在不同竖缝相对宽度和(或)不同流速情况下的紊动能分布情况。综合各物理量的分析,得出竖缝相对宽度b₀/B=0.15、底坡为10%时,水流在池室内能形成较好的适合鱼类洄游的流态:主流区水流横向扩散范围适中,主流区最大流速沿程均匀衰减,回流区面积较为对称,流速较小。     

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验研究

淹没垂直圆柱虽在各工程领域中均有广泛的实际应用,但还没有关于其绕流场内水流结构及紊流特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量,分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度,研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律,揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。研究结果表明:增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度,使得垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱,也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱,降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。     

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。