明渠水气二相流流速分布研究

为了实际应用的需要，根据前人的实验资料，建立了一套计算自掺气水流流速分布的半经验半理论方法，提出掺气对紊动有抑制作用，因而增大流速梯度，可使明渠水气二相流的最大流速比不掺气水流的最大流速有所增大，并导致近底流速指数分布中指数大于1／7。公式的计算结果与实验数据相比较基本一致。     

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。     

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。     

光滑明渠均匀紊流水流结构研究

建立了一套高精度的明渠水流试验系统,并通过PIV流场仪测量了光滑明渠均匀紊流的水流结构.为真实反映均匀紊流的水流特性,PIV采样次数约需要3 000次.试验结果:对数一尾流律公式能够很好地描述明渠均匀紊流垂线流速分布,卡仃常数、积分常数和尾流律系数分别为0.407、4.902和0.272;紊流度垂线分布符合前人的研究成果,但经验系数有所差别,分别为Du=2.05、Dv=1.2l、Ck=1.25.     

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。     

平底光面明渠中紊流猝发的特性研究

在保持循环水槽底部平整和表面光滑仅改变流速的条件下进行了系统的实验研究 ,重点研究了雷诺数ReR 对紊流猝发的形态和特性的影响。采用流场综合分析法将流动显示与计算机图像处理相结合 ,与常用的点流速条件检测猝发现象相比有了明显改进 ,有利于加深对明渠紊流猝发的认识。PIV激光片光源频闪技术拍摄的猝发系列照片生动展示了明渠紊流流场的猝发特性 ,可用于直接分析 ;再经过计算机图像处理后可绘制流速矢量场图并进行相关计算分析。试验表明猝发喷射角约为 4 0°～ 6 0°,雷诺数ReR 增大会使喷射角略有增加 ;猝发喷射高度约可达到边界层名义厚度的 1/4～ 1/3高度。雷诺数ReR 增大明显增加了多头群体喷射现象 ,无量纲猝发周期加大 ,喷射尺度和清扫尺度也有增大趋势。对试验的分析表明雷诺数ReR 对明渠中紊流猝发的特性有重要影响 ,增大ReR 使得流态加剧向紊动转变     

水力光滑明渠流流速分布的新公式

采用一个新的湍流黏性模型研究水力光滑明渠流的流速分布,得到的结果与以往在明渠中所测的实验数据吻合较好。基于这个湍流黏性模型,推导出一个新的光滑明渠流外部区域的流速亏损规律,该表达式可以推广到内部区域,并提出一种新的确定内部区域流速分布的近似方法。运用本文给出的公式计算结果与由多普勒激光流速计所测的实验数据吻合良好。在只给出平均流速和水深的情况下,根据本文给出的公式可求得内外区域流速分布。     

簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε 紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。     

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，并作初步分析。     

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。     

含植物明渠紊流流速分布无量纲化方法及流动分区

基于流速分布曲线的几何特点,提出一种新的无量纲化方法,结合水槽实验数据的回归分析,对含植物明渠紊流流速分布律及流动分区进行了研究。基于流速梯度变化率的特点,确定两个特征高度,采用特征高度、特征高度位置处的流速、水深、最大流速4个变量定义了新的无量纲流速和高度,对实验得到的流速数据进行无量纲化处理,进一步拟合得到流速分布律。结果表明,提出的无量纲流速在自由水面附近呈对数分布,对数分布律区域以下到床面的区域可用4段函数表示。根据分布律适用的区域明确流动分区边界,发现边界高度与特征高度并不重合,但和混合层的上下边界近似相等。与其他研究的对比表明,提出的无量纲化方法和流速分段函数分布律以及流动分区对速度描述有效,具有较好的适用性。     

明渠均匀流的摩阻流速及流速分布

在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法（雷诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等）的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：（1）利用阻力平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；（2）包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的Karman常数；（3）现有大量明渠均匀流实测资料中，用常用的Karman常数（x=0．4）时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。     

明渠沙纹床面湍流结构实验研究

沙纹的形成会显著地影响床面附近的湍流结构。论文通过水槽实验,模拟了天然河流中沙纹的形成,并针对最终形成的稳定沙纹形态,利用声学Doppler测速仪采集了沙纹床面不同位置处的高频流速过程数据,继而对脉动强度、雷诺应力、湍流动能及自相关函数等湍流特征量进行了计算,并分析了沙纹床面湍流结构和特点,为进一步的理论和数值研究提供了有价值的参考数据和依据。     

明渠断面水流流速与边界剪切应力横向分布模型

天然河流的横断面多为由主槽和漫滩组成的复式断面,水流在这种断面中比在单一断面中受到更多因素影响,流态也更加复杂。通过将明渠横断面上微元体在水流方向的N-S控制方程沿水深积分,得出描述垂线平均流速和边界剪切应力横向分布的模型,并通过对实验数据的验证,确定了模型的实用性。     

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。     

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。     

基于FLUENT的小尺度粗糙明渠紊流数值模拟

采用计算流体动力学软件FLUENT 对一小尺度粗糙明渠紊流进行数值模拟研究,得到了不同水深的垂向流速分布、壁面切应力以及摩阻流速值,并将数值计算结果与物理模型实验结果作了比较,发现两者符合得较好,从而验证了FLUENT 用于计算小尺度粗糙明渠紊流的有效性.由于计算机性能的限制,无法得到粘性底层和过渡层的真实流速分布,有待今后进一步研究.     

数字粒子图像处理技术及其在明渠交汇试验研究中流速测量的应用

为了克服传统的点测量方法无法获取明渠交汇口非恒定流场同部信息的缺陷,本文应用DPIV(Digital Particle Image Velocimetry)数字粒子测速技术对明渠交汇口流场进行了实验研究。试验结果表明,对于给定交汇口形状及尺寸,分离区的大小主要随主支渠水流的流量比发生变化,但其形状基本保持不变。说明DPIV测速方法可直观完整地测量非恒定流动,且运算速度快,是研究复杂流场的有效工具。