粘性泥石流流速计算方法

泥石流流速是泥石流动力学分析中最为重要的参数,以曼宁公式为原型的泥石流流速计算公式正被广泛的用于泥石流动力学分析及工程防治设计.然而由于曼宁公式中,对糙率系数的选取带有很强的主观因素,从而导致曼宁公式的泥石流流速计算值与实际相差甚远.本文首先较为全面地分析了影响曼宁糙率系数的6方面因素,并将这6方面的因素归结为外部沟道边界条件和粘性泥石流流体内部特征两大方面;然后基于上述分析分别构建了关于泥石流外部糙率和内部糙率的具有明确物理意义的无量纲综合影响因子,从而提出了粘性泥石流综合糙率系数的数学表达式;接着以东川泥石流观测站的21组观测数据对待定参数进行了率定,从而提出了粘性泥石流综合糙率系数的计算表达式,并将公式计算结果与实测数据进行了比较,结果令人满意;最后以综合糙率系数表达式完善了粘性泥石流流速计算公式.     

北方河流冰期水流阻力分析

本文通过由流速分布推求冰期河道冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考虑冰盖影响区与河床的流速分布,确定最大流速位置,阐述了冰盖对水流的阻力是研究河道冰情演变及其运动规律的依据.并对河道冰期形成冰盖,其阻力使河道水位升高、过流能力降低、水位流量关系改变.流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了分析.为北方地区基层测站的冰期测验工作提供参考.     

泥石流浆体流变参数的计算方法及其扩展性研究

利用云南东川蒋家沟泥石流的浆体流变实验数据,对现有流变参数计算公式进行优选,并分析了优选出的浆体流变参数计算式扩展到全粒径泥石流体的可行性。结果表明,Mooney公式和Krieger-Dougherty公式计算泥石流浆体的刚度系数精度较高,费祥俊公式和指数公式计算泥石流浆体的屈服应力精度较高;将这些公式应用于泥石流体时,对于密度较高的泥石流体不同公式的计算结果差异很大,总体而言费祥俊公式计算的屈服应力较为合理,对于黏性泥石流,利用浆体刚度系数并通过Krieger-Dougherty公式考虑粗颗粒影响的方法得到的刚度系数比较合理。本文的研究结果可以为泥石流动力学计算和防治工程设计提供参考。     

泥石流浆体流变参数的计算方法及其扩展性研究

利用云南东川蒋家沟泥石流的浆体流变实验数据，对现有流变参数计算公式进行优选，并讨论优选出的浆体流变参数计算式扩展到全粒径泥石流体的可行性。结果表明，Mooney公式和Krieger-Dougherty公式计算泥石流浆体的刚度系数精度较高，费祥俊公式和指数公式计算泥石流浆体的屈服应力精度较高；将这些公式应用于泥石流体时，对于密度较高的泥石流体不同公式的计算结果差异很大，总体而言费祥俊公式计算的屈服应力较为合理，对于粘性泥石流，利用浆体刚度系数并通过Krieger-Dougherty公式考虑粗颗粒影响的方法得到的刚度系数比较合理。本文的研究结果可以为泥石流动力学计算和防治工程设计提供参考。     

煤浆管道输送颗粒级配降级研究

针对目前管道输煤颗粒级配降级影响因素及煤颗粒降级对输送参数的影响规律方面的研究不足,采用试验方法研究了煤颗粒管道输送时浆体流速、颗粒大小、泵送时间对颗粒级配降低的影响,同时还通过试验以及理论分析相结合的方法,研究了煤浆级配降低后对浆体黏性、管道输送阻力和临界淤积流速等输送参数的影响。研究指出浆体流动速度越大,泵送时间越长,颗粒粒径越大,颗粒的降级率越大。试验观测和理论分析结果表明,浆体级配降级导致浆体黏度升高,阻力降低,不淤流速相应减小,且黏度和阻力值可用费祥俊黏度和阻力模型进行准确预测。在此基础上,结合有关研究,推导了临界淤积流速的计算模型。     

感潮河段底床阻力特性分析

为更好地了解长江感潮河段的底床阻力特性,在实测资料的基础上,结合流速对数分布的假设及谢才公式和曼宁公式给出了适合长江梅子洲河段(感潮河段)糙率的计算公式,并将公式加入到二维有限元水动力数学模型HSCTM中。数值计算的水位、流速及流场均显示了糙率公式的合理性;从尼库拉兹实验出发结合希夫林松的阻力公式从理论上探讨了摩阻流速和糙率高度之间的关系,并采用长江感潮河段的实测资料印证了两者之间存在间接的线性关系。     

阻力平方区满流糙率影响因素及敏感性分析

糙率在实际应用中通常以经验值取为常数,但其实际值会随着水力学条件的变化而改变。基于ColebrookWhite方程与曼宁公式推导出阻力平方区内满流状态下糙率的计算公式,得到糙率的影响因素包括当量粗糙度、雷诺数及水力半径,为糙率的准确计算提供理论基础,并通过敏感性分析研究糙率随各因素的变化特性。为避免流量未知情况下求解糙率值时的迭代计算,结合所提出的比值系数雷诺糙度比K_Rek,分析忽略雷诺项时所得糙率值的相对误差,从而得出可忽略雷诺项来计算糙率的条件,为简便计算糙率值提供参考。     

管道水力摩阻系数的敏感性分析

管道水力摩阻系数的合理取值是输水工程经济、高效运行的关键,尤其是当前广泛采用的大口径输水管道。然而受内壁粗糙度、管径D、流速V、水温T等诸多因素的影响,水力摩阻系数取值存在较大的不确定性。本文对常用摩阻系数进行了系统的敏感性分析,研究表明:同种管材的海森-威廉系数Ch和曼宁糙率系数n均随管径D增大而增大,并且曼宁糙率n的相对增幅远大于海森-威廉系数Ch,当前设计中忽略管径D对曼宁糙率n的影响是造成部分工程水头损失计算误差较大的原因之一。海森-威廉公式对不同管径的适应性优于谢才-曼宁公式,工程设计如采用谢才-曼宁公式,需考虑管径和流速对曼宁糙率n的影响。上述成果可为管道输水工程的设计、运行和管理提供参考。     

冲积河流糙率由来与计算方法研究

为在水力学及河流学科教学与研究中减少误解,本文在系统回顾了前人明渠流速计算公式研究成就的艰辛过程中,指出教科书与文献存在的误解;并在述评糙率公式优缺点后,指出了现有方法存在的问题。认为在曼宁水流阻力公式是纯经验公式和糙率测验精度实难保证的状况下,且今后相当长时期内人们尚难科学描述沙波兴衰机理及沙粒沙波阻力转换关系,给出糙率理论公式很不现实;建立实用性公式需抓住Fr这个同其他判别沙波运动状态的参数有关联性与可替代性的首要参数;构建出可适应模型试验反映的"n随Fr增大而减小,Fr很小时n会较大"变化趋势的公式形式后,根据冲积河流"糙率最大值一般为糙率较小值的10倍"的实际情况与"Fr=0.5时糙率接近动平床糙率"的动床模型试验结果,确定待定系数与参考糙率,建立了糙率简便公式(21)。为提高公式精度和适用范围,以沙粒阻力因子反映沙粒肤面阻力作用,遂给出体现沙粒肤面摩擦影响的动床糙率公式(22),并通过引入浑水卡门常数适当考虑含沙量对水流能耗的影响,进一步给出了考虑床面沙粒与含沙量共同影响的糙率计算公式(23)。大量冲积河流实测资料系统验证表明,本文建立的糙率公式明显比现有公式更符合实际。     

黄河河槽糙率异常原因及其解决途径

通过理论分析和实测资料计算,阐释了黄河糙率异常现象并对其偏小的原因背景进行了剖析,认为导致黄河河槽糙率异常的主要原因,首要是套用清水定床条件下的时均流阻力计算公式,其次是计算所用水文实测资料难具代表性;同时指出曼宁公式无法良好适用于动床阻力计算,已有的动床阻力研究成果在理论上进展有限,也难有实用性强或精度高的计算公式;进一步通过阐述水深指数的影响因子及表达形式,提出了解决黄河河槽糙率异常的修正途径,使修正后糙率的点群关系得到改善,物理含义也得到保证。最后,根据本文方法修正后的花园口水文站糙率资料,建立了糙率同流量的经验关系式,进而可连同动床阻力修正公式预测不同来水来沙条件下的平均流速。黄河实测资料的检验结果表明其预测精度较高。     

高含沙明渠紊流光滑区f－Re关系与平均流速公式

本文根据水槽试验结果，从紊动与絮网结构相互影响的角度分析了光滑区内阻力系数ｆ与有效雷诺数Ｒｅ关系散乱的原因；通过分析ｆ与断面平均流速Ｖ的关系，建立了高含沙明渠紊流光滑区平均流速公式，井作初步分析．     

淹没状态下河道植物偏斜高度与糙率的关系

利用室内变坡水槽,模拟了复式河道滩地3种植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪(ADV)施测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了不同条件下的河道糙率。基于水动力及植物柔性变形分析,建立了淹没状态下的植物河道糙率计算的基本关系,反映出糙率值不仅与水流动力条件有关,还与植物类型、淹没高度、布置及其自身力学性能有关,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获取了植物河道的附加糙率值,借此分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。     

基于固液两相流模型的泥石流流速垂向分布研究

泥石流流速的垂向分布是泥石流运动理论中的核心问题之一。以固液两相流模型为基础,分析了泥石流中两相速度相等与不等条件下的本构关系和泥石流流速垂向分布的计算方法;在二维恒定均匀流的条件下,考虑两相之间的相互作用,推导层流和紊流流态下泥石流中液相和固相速度的垂向分布公式,并采用不饱和水石流的试验数据进行了验证。结果表明:泥石流两相之间的速度差异是描述两相之间相互作用的根本所在;泥石流固相浓度与本构关系中的模化参数均有关联,是流速垂向分布计算中的重要参量;基于两相流模型的泥石流流速垂向分布公式比现有公式更具普遍意义,且其计算结果能与试验数据较好吻合。     

泥石流磨蚀特性试验研究

泥石流磨蚀特性是防治工程耐久性设计的关键参数,选取了5种固相比和5种浆体黏度共25组工况,采用自行研制的泥石流磨蚀系数测试装置进行泥石流磨蚀试验。实验结果表明：浆体黏度相同时泥石流磨蚀系数与泥石流体固相比成正相关,固相比相同时泥石流磨蚀系数与泥石流黏度成负相关;水石流及稀性泥石流的磨蚀能力显著大于黏性泥石流;工程中宜适当提高混凝土标号和增大混凝土砂浆保护层厚度来提高混凝土防治结构的耐磨性。研究成果对泥石流混凝土防治结构耐磨性设计有一定参考意义。     

伴有滑动床的粗颗粒石膏矿石浆体流动速度分布初探

随着浆体管道输送工程的应用和发展,输送颗粒的粒径越来越大,伴有滑动床流动的粗颗粒浆体的输送工程越来越多。基于滑动床以上的悬浮层内的剪切应力呈线性分布的假设,提出了最大流速点(即剪应力最小点)位置的计算公式。在最大流速点至管道内任意点方向应用流速亏损定律,给出了悬浮层内任意点速度分布的计算模型。通过石膏矿石浆体管道输送试验,给出了若干组浓度分布、速度分布实验数据。通过若干组数据的回归分析,给出了最大速度值的计算公式及卡门常数值。利用试验数据,对最大速度点位置计算公式和滑动床上速度分布的计算模型进行了检验,其计算值和实测值的最大偏差分别为3.8%和14.3%。     

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。     

含植物河道曼宁阻力系数的研究

含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁,传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则,首次提出了一系列等效水力参数的概念,建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式,并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进行水槽试验,对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论,并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性,因此具有普遍的应用价值,可以用来进行实际工程中糙率的计算。     

天然河道浑水流速分布研究

通过对有关学者得出的几个典型的垂线流速分布公式的分析认为:现有的用于天然河道的流速分布公式都存在不同程度的缺陷,且这些公式仅能用来计算不受侧壁影响的二维情况下的垂线流速分布,当用于峡谷河段时计算值与实测值差别较大。实测资料表明,对数或指数型流速分布公式可用于描述宽谷河段的垂线流速分布。由水流阻力公式导得了天然河道垂线平均流速沿横向的分布,引进重线流速分布,即得到断面点流速的分布公式。公式既可以用于清水水流,也可以用于挟有泥沙的浑水水流,含沙量对流速分布的影响主要反映在指数m发生变化这一点上。与实测资料比较发现,公式较好地反映了天然河道流速分布的实际情况。