挟沙水流床面冲刷深度试验研究

在清水冲刷粗化层极限冲刷深度研究的基础上,结合室内概化水槽试验,探讨了挟沙水流床面冲刷问题。不同来沙条件下床面冲刷深度水槽试验观测成果表明,随着上游单宽加沙率的增加,挟沙水流床面冲刷深度减小,挟沙水流相对冲刷深度与相对来沙条件呈线性变化趋势。参考爱因斯坦推移质输沙率公式,建立了一个能够综合反映来水来沙条件以及床面条件的床面冲刷深度计算公式。该公式计算值与试验实测值吻合良好。     

水流强度对高含沙水流流变参数影响的试验研究

通过求解切应力方程，导出了高含沙水流紊流区流变参数的求解公式；根据常水管道的试验资料，分析了紊流区流变参数随水流强度变化的规律，并在一定范围试验资料基础上，建立了流变参数与有效雷诺数间的经验关系式。     

泥沙输移与水流强度指标

利用大量的实验室水槽和天然河道输沙资料，研究了各种水流强度指标与泥沙输沙强度的相关关系。结果表明，水流功率、平均流速、沙粒切应力能较好地预测输沙率而单位水流功率、佛汝德数、Velikanov参数则较好地预测输沙浓度。其中单位水流功率与输沙浓度的关系最佳。     

泥沙粒径与水流紊动关系试验研究

挟沙水流中的泥沙颗粒因水流紊动而悬浮,同时受重力作用而下沉。由于水流中的泥沙颗粒会对水流紊动产生影响,反之,水流紊动也对泥沙颗粒分布产生影响,它们之间作用是相辅相成的。本文采用超声流速仪（MicroADV）量测挟沙水流的时均流速沿垂向分布,同时对泥沙颗粒粒径的分布进行了试验,研究了泥沙颗粒粒径d50和水流紊动强度在沿垂向分布之间的内在联系,结果表明：泥沙颗粒粒径和紊动强度沿垂线的分布一致性较好,并用实测资料对他们进行了拟合,建立了它们之间的关系式,有一定的实用价值。     

泥沙对挟沙水流流动结构影响的研究

应用MicroADV研究了不同粒径的泥沙颗粒在不同水力条件下对水流流动结构的影响。实验发现：挟沙水流流动结构的变化不仅与颗粒的大小密切相关，而且与水流流动条件有关，颗粒对水流结构的影响随着水力条件的变化而改变：在强水流条件下，不论粗、中、细泥沙都不改变主流区的流速分布及紊动强度；在中等强度水流条件下，粗、中、细三种颗粒的加入都使流速大于相同条件的清水水流，而其紊动强度则较清水水流低；在弱水流条件下，三种颗粒的加入都不改变水流的流速分布，但粗颗粒使水流紊动强度显著增大，而中、细颗粒基本不改变其紊动强度。     

挟沙水流泥沙浓度分布的试验研究

通过挟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，建立了泥沙浓度和紊动强度沿垂线分布之间的关系式。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式。     

挟沙水流能量平衡问题的研究综述

从能量平衡的观点来研究泥沙的运动规律，是泥沙运动力学中的一个重要研究方向。本文总结了有关学者提出的挟沙水流的能量平衡方程，指出这些方程还存在一些缺陷。从而从这些有缺陷的能量平衡方程所得到的一些泥沙运动理论，如输沙强度、动床阻力等，就难免在理论上存在一定的不足。因而目前应加强挟沙水流的能量平衡方程的研究，才能促进泥沙运动理论的进一步发展。     

水流挟沙能力公式的转化与统一

水流挟沙能力作为河道水力与泥沙因子和河床补给条件相互作用的重要综合性参数，一直是河流动力学中的核心问题之一，倍受学术界关注。本文首先基于悬移质运动效率系数等泥沙悬浮能量的角度建立水流挟沙能力统一结构公式；然后对前人众多的水流挟沙能力公式进行分类、归纳为含沙量型与输沙率型两种主要形式，并通过进一步的推导转化，将现行的主要挟沙能力公式统一于通用的结构公式，表明统一结构公式具有良好的通用性与实用性；文中最后应用黄河、长江等大量的天然实测资料对张红武等四家同时能适合于高、低含沙水流挟沙力公式的可靠性进行验证与分析，结果表明张红武和作者公式的计算精度令人满意，该项研究成果对于河流动力学学科发展及指导河道整治工程规划设计具有重要意义。     

挟沙水流紊动结构研究现状及进展

本文系统总结了清水、低含沙水流和高含沙水流的紊动结构研究现状：包括研究理论与方法、试验手段、现有成果与存在的分歧。提出有特研究的问题。     

水流挟沙能力公式的转化与统一

本文首先基于悬移质运动效率系数等泥沙悬浮能耗的概念建立了水流挟沙能力统一结构式公式;然后对前人众多的水流挟沙能力公式进行分类、归纳为含沙量型与输沙率型两种主要形式,并通过进一步的推导转化,可将现行的主要挟沙能力公式统一于结构公式中,表明统一结构公式具有良好的通用性与实用性。文中最后应用黄河、长江等大量的天然实测资料对张红武等4家同时能适应于高、低含沙水流挟沙力公式的可靠性进行验证分析,结果表明张红武和作者公式的计算精度比较符合实际,建议在实际工作中加以应用。     

Experimental study of flow intensity influence on 2-D sand ripple geometry characteristics

Sand ripples are common bedforms. The formation of sand ripples is related to flow conditions; different flow conditions cause different ripple geometries. The main aim of this study was to assess the relationship between flow intensity and two-dimensional ripple geometry characteristics. The experiments were carried out in a laboratory flume with natural sand whose bulk density Ps was 2 650 kg/m3 and median diameter D50 was 0.41 mm. The Froude number (Fr), a flow intensity parameter, varied from 0.16 to 0.53, entirely within the subcritical range. Two-dimensional sand ripple geometry was measured and processed via statistical methods. The probability distributions of ripple length and height were obtained with different flow conditions. Through dimensionless analysis, the relationship between the flow intensity parameter (grain size Reynolds number Re*) and the sand ripple geometry characteristic length (Λ) and height ( Δ) was analyzed, and two formulas were obtained:Λ/D50=191.76Re*0.3 and Δ/D50=1.97Re*1.3, which are consistent with previous research results.     

沙纹床面涡量特性实验研究

沙纹的形成与水流流态密切相关,但对于其相互关系至今尚无确定的结论。采用PIV（Particle Image Velocimetry）测量设备对沙纹床面水流特性及涡量特性进行了实验研究。通过对平床与沙纹床面涡量场的比较,得到了沙纹床面的涡量分布区域。结果表明,涡量较大值主要集中在沙纹的背水坡面与迎水坡带,之外区域涡量值约为零。结论对研究沙纹的形成有积极意义。      

沙波形态对波浪要素的响应

针对波浪作用下沙质底床上普遍存在的沙波现象,从沙波尺度角度出发,采用1957—2018年共385组野外实测资料和水槽试验资料进行拟合分析,得到基于近底波浪水质点运动强度的沙波波高、沙波波长计算公式。结果表明:与Ni81规则波、Ni81不规则波、VR89和GK04等4种典型模型对比,新的沙波波高和沙波波长计算公式具有更高的计算精度且表达形式上更具一般性;利用该沙波形态计算公式可改进床面粗糙度的计算方法,当应用于波浪底摩阻系数的求解时计算结果与实测数据较为吻合,即沙波形态对底边界层有效粗糙度的影响显著;新的沙波波高和沙波波长计算公式可较好地应用于波浪底摩阻系数的计算。     

人工砂与天然砂的混合应用研究

通过研究人工砂与天然砂的不同配比对混凝土含气量、坍落度、抗压强度、抗渗性及抗冻性的性能影响,经试验证明:人工砂与天然砂的比例为40:60左右时,混凝土的各项性能指标达到最佳状态.     

排沙漏斗的水流特性试验研究及其工程应用

根据排沙漏斗模型试验资料，通过对比分析排沙漏斗清、浑水流场特性，初步探明了排沙漏斗的水流结构和输沙机理。同时，排沙漏斗的原型观测和实际应用表明，排沙漏斗的实际工程应用是成功的，与曲线沉沙池和厢形沉沙池等传统工程措施相比，它具有截沙率高、排沙耗水量小、造价低等特点。     

Relationship between downstream hydraulic geometry and suspended sediment concentration characteristics

The downstream hydraulic geometry relationships, i.e., the downstream variation of the water surface width W, the hydraulic depth H, and the mean velocity V at a constant flow frequency, represent the adaptation of channel geometry and flow dynamics to a given hydrological regime. It has been reported that W, H, and V all tend to increase in the downstream direction for most natural rivers but their increasing rates show relative differences. It is widely known that most natural rivers exhibit W increasing at a greater rate compared to H, indicating the formation of wide and shallow rivers. Nevertheless, rivers showing the opposite to this trend, i.e., H increases at a rate greater than that of W, have also been observed. We investigated four rivers in this study where two of them (the Kansas River and the Tennessee River) show greater increasing rate of W than that of H and the other two (the Mississippi River and the Nakdong River) show the opposite. We found that the two types of rivers show different spatial patterns in their relationships between suspended sediment concentration (C) and flow discharge (Q). Essentially, rivers with a greater increasing rate of W (i.e., the Kansas and the Tennessee) show C-Q relationships lagged in the downstream direction. On the other hand, rivers with a smaller increasing rate of W (i.e., the Mississippi and the Nakdong) show C-Q relationships that are aligned along the downstream direction. Considering that the flow discharge increases downstream in general, the rivers showing the aligned C-Q relationships are exposed to greater imbalance of spatial distribution of sediment fluxes, and hence supposed to be less stable compared to the other type of rivers.     

苯板与粗砂的摩擦特性试验研究

通过两种试验方法测定对苯板与粗砂的摩擦角.试验结果表明:采用土工合成材料综合测定仪时,随着粗砂含水率的增加,摩擦角、粘聚力的变化规律不强,且苯板产生了变形;采用非散粒体材料摩擦角测定仪时,随着粗砂含水率增加,摩擦角基本不变,规律性较好.非散粒体材料摩擦角测定仪优于土工合成材料综合测定仪.     

再论异重流和均质流动的一些相似关系

在对上层静止下层流动的异重流和均质明渠流之间相似关系研究的基础上,本文将这一成果推广,给出了上层流动下层静止的异重流和均质明渠流之间的一些相似关系,并将结果应用于二维重叠式排取水口的水深计算,结果与前人的实验一致。考虑到实际的重叠式排取水口都是三维的,所以本文利用前人的实验结果,进一步给出了三维重叠式排取水口高度及水深的计算方法,所得结果揭示了排水口温差水跃的形成机理和形成条件。     

基于雨滴谱观测的降雨动能与雨强的关系研究

降雨动能是土壤侵蚀的重要影响因素,已有研究拟合了降雨动能KE与降雨强度I(简称雨强)的多种经验关系模型,但缺少相应的理论分析.为揭示降雨动能与雨强的理论关系,基于雨滴谱的Gamma分布,推求了降雨动能与雨强关系的理论公式KE=AIm,其中A与m为参数;并利用清华大学榆林生态水文观测站设立的德国OTT Parsivel-...     

含沙空化对轴流泵内流动特性的影响

采用SST k-ω湍流模型模拟轴流泵在清水非空化、含沙水非空化、清水临界空化、含沙水临界空化4种状态下的流动特性,分析含沙量和临界空化对泵内流动特性的影响,确定轴流泵在不同状态下的不稳定运行区域。结果表明:在叶片工作面上,非空化和临界空化状态下轴向速度流动系数均分布在-1附近,非空化状态下径向速度流动系数和绝对速度流动系数分别分布在0.6和1.2附近,临界空化状态下径向速度流动系数和绝对速度流动系数分布在1附近。叶片背面进口和出口位置的流动系数最为敏感,空化会引起此处流动系数的剧烈波动,尤其是加入泥沙后,波动更为显著,故叶片背面进口和出口位置为叶轮内的流动不稳定区域,空化和泥沙主要影响此处。未发生空化时,含沙量基本不改变叶轮内流动状态;当泵内发生空化时,在叶片尾端出现流动分离漩涡,加入泥沙后,尾端的漩涡范围变大,叶轮内的流动状态发生改变,说明空化和泥沙均是影响叶轮内流动特性的主要因素。