挟沙水流幂律湍流模式研究

围绕如何描述挟沙水流湍流特性和确定湍流模式这一工程设计所关心的问题,建立了一种合理实用的挟沙水流湍流特性表达式。通过湍流理论分析和挟沙水流湍流特性试验,构建了与浑水含沙浓度相关的一种非牛顿切应力型湍流模式——幂律湍流模式,进而求解雷诺方程得到挟沙水流的流速分布,回归分析挟沙水流湍流特性试验数据,率定流速分布表达式参数,从而确定挟沙水流幂律湍流模式参数。     

挟沙水流紊动结构

挟沙水流的紊动结构是什分复杂的研究课题。本文中首先综述了有关清水水流的紊动结构中有代表性的几种研究途径及其存在的问题，进而对挟沙水流的紊动结构进行了综合评述。     

悬浮泥沙对粗糙底壁湍流场猝发的影响

本文建立了具有法向压力梯度项和沙粒作用项的粗糙底壁附近流场的运动方程，结合对粘性底层和过渡区内层交界面的分析方法和小扰动稳定性理论，由理论分析和数值计算得到了流动雷诺数、无量纲扰动波数、无量纲两相法向平均速度差、斯托克斯数、壁面的粗糙元以及悬浮沙粒的质量浓度等因素与水流底壁湍流猝发角乃至猝发难易程度的关系，部分结果与已有的实验结果进行了比较．文中所得结论有助于进一步了解挟沙水流近壁流场和悬浮泥沙的运动特性以及泥沙的沉积和输运机理．     

冲积河流的水流挟沙能力

在前人研究成果的基础上分析了水流挟沙的物理模式，以挟沙水流紊动能量方程为理论基础，得出了紊动能产生项和粘性耗散项的表达式，由此推导出适用于水流的紊流三区(光滑区、过渡区和粗糙区)的挟沙能力计算式，依据天然河流实测资料和室内水槽试验资料，验证了该水流挟沙能力计算式．针对该计算式分析了影响水流挟沙能力的因素．     

非均匀沙水流挟沙力公式改进

水流挟沙力是泥沙研究中的一个关键问题之一。扬国录等[8，9]分析了水温、泥沙的级配对挟沙力影响，用分组的方法建立了一个水流挟沙力公式。在前人的研究基础上，考虑大小泥沙颗粒的相互作用和床沙的悬起概率对挟沙力的影响，对扬国录的挟沙力公式进行了改进，利用改进后公式对117组资料进行预测，通过计算分析发现，用改进后公式计算，无论是在低含沙量或高含沙量时，计算值和实测值都基本符合，相关系数有所提高，说明改进是有意义的。     

挟沙水流紊动结构

挟沙水流的紊动结构是十分复杂的研究课题。本文中首先综述了有关清水水流的紊动结构中有代表性的几种研究途径及其存在的问题，进而对挟沙水流的紊动结构进行了综合评述。     

挟沙水流紊动结构研究现状及进展

系统总结了清水、低含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。提出有待研究的成果。     

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。     

非均匀沙水流挟沙力研究

本文对平衡输沙和不平衡输沙情况下非均匀沙水流挟沙力规律进行了研究，得到了平衡输沙时非均匀沙分组挟沙力公式及可能挟沙力经验曲线，定性分析了非均匀沙可能挟沙力与均匀沙挟沙力之间的差异，并且探讨了来沙条件对水流挟沙力的影响，提出了非平衡输沙时瞬时挟沙力和有效挟沙力概念及计算方法。     

基于湍流猝发的明渠流悬沙浓度分布

泥沙悬浮是湍流猝发直接作用的结果，本文基于这一力学机理，利用湍流猝发平均持续时间和猝发强度构造明渠流悬沙湍流扩散模式。模式涉及的唯一参数线性地随悬沙沉降速度对摩阻流速的比值增大而增大，表征较粗、较重的泥沙颗粒的悬浮需要具有更多能量、持续时间更长的湍流猝发作用与之相适应，物理意义明确。经水槽实验资料验证，本模式可精确模拟悬沙浓度沿垂线的分布。对类似流动中其它异质污染物的湍流扩散，该模式有直接的应用价     

波浪作用下涡动沙纹床面的悬沙运动数值研究

作者建立了波浪作用下的立面二维水沙数值模 型，并对涡动沙纹床面的悬沙运动进行研究。结果表明：悬沙颗粒的沉降速度较小时，其运 动受到涡动力特性的影响比较显著。而且在沙纹波峰断面和沙纹波谷断面，半个周期里都可 以观察到两个悬沙分布的峰值，主要是由于流动分离形成分离涡，涡运动携带泥沙颗粒而出 现峰值。计算成果在一定程度反映了涡动结构对悬沙运动的影响。     

往复流作用下悬移质泥沙运动规律的数值研究

本文从水沙两相紊流的双流体数学模型出发,采用直接数值计算的方法,研究了海床面附近边界层内往复流对悬移质泥沙运动的影响。研究方法的有效性通过典型问题的流速分布、紊动能量分布以及泥沙浓度分布的计算结果和实验观测结果的比较得到了良好的验证。本研究还探讨了往复流条件下各类相间作用力的时空变化规律及其对悬移质泥沙运动的影响。     

悬浮泥沙沿程淤积

研究床沙不起悬但存在紊动条件下的悬浮泥沙沿程淤积,这种淤积常发生在水库、沉沙池等较深水体中。研究发现试验水槽中悬浮泥沙淤积依沿程可划分为三个区段:射流区、悬沙超饱和区、悬沙缓淤区,三个区段的悬沙浓度剖面与淤积量沿程变化有显著不同,在分析沿程淤积公式时应采用悬沙超饱和区的试验数据。本文从理论与试验资料角度,详细讨论悬沙沿程淤积的公式,并建议采用JobsonandSayre(1970)提出的公式计算悬浮泥沙沿程淤积。     

考虑重力及离心力的溢流坝反弧段紊流边界层动量积分方程的数值计算

论文分析了溢流坝反弧段水流的运动特征及影响边界层发展的主要因素,认为溢流坝反弧段水流边界层与绕流边界层是不同的。对于有自由水面存在的反弧段水流,在边界层外水流是有势流动的假设条件下,考虑重力及离心力的作用,提出了反弧段紊流边界层的动量积分方程式,计算结果与实验值比较表明文中的计算模式是正确的,可用于分析计算溢流坝反弧段边界层的发展厚度。     

伶仃洋三维潮流输沙的数值模拟

作者使用垂向坐标变换技术，结合有限差分方法建立了三维潮流输沙的数学模型。为了增加模型的稳定性和减少数值耗散，对悬沙对流扩散方程中的水平对流项采用三阶迎风格式离散。应用本模型对伶仃洋的枯季和洪季的潮流输沙的悬沙场进行了数值模拟，将模拟结果与实测资料进行比较，二者吻合较好。模拟结果分析表明：伶仃洋悬沙运动主要集中在西滩，对伶仃航道影响不大；洪季水体含沙浓度高于枯季；水体含沙浓度沿水深存在浓度梯度，且洪季的浓度梯度明显大于枯季。     

悬沙冲淤问题的湍流两相模型

在双流体模型框架内统一二阶矩两相湍流模型的基础上，建立了改进的悬沙冲淤问题的湍流两相模型-湍流代数应力模型，这一模型不仅能反映两相湍流的各向异性特征，并且更深刻揭示了悬沙颗粒与流体的湍流相互作用的机理，以及浮力、回流及旋流等的影响。适用于河口悬沙冲淤及水库泥沙异重流等工程问题的模拟计算。     

电磁力对湍流边界层相干结构的影响

利用一组铷-铁-硼强铁磁体和电极组成的电磁极阵列,在海水平板湍流边界层中产生具有一定穿透深度的电磁力,实验研究了行波式洛伦兹力（Traveling—Wave-Like Lorentz Force）对湍流边界层快慢条带的影响,氢气泡流动显示表明在电磁力的影响下,湍流边界层底层快慢条带相干结构出现间距是平均值2～3倍的低速区域,低速条带的统计平均间距明显增大。     

珠江河口底边界层湍流事件研究

该文通过座底式支架的ADV,对珠江河口底边界层的湍流进行了一个全潮25 h的观测,并利用该资料对湍流事件进行了研究,探讨了湍流事件特征量在潮内的变化.研究结果表明:(1)河口湍流事件受潮汐过程的影响,各特征量变化带有明显的半日分潮特征,且急流和憩流时刻差异显著.(2)对于动量事件,憩流时刻事件发生的次数多,但持续时间短,贡献率低,而急流时刻次数少,持续时间长,贡献率高;对于泥沙事件,憩流时刻次数少,但持续时间长且强度高,急流时刻次数多,但持续时间短且强度低.(3)湍流事件发生的时间约占总时间的40％,事件的平均持续时间分别为0.07 s(动量事件)和0.05 s(泥沙事件).     

珠江三角洲河网与河口夏季水沙通量的模拟

本文利用一、三维水动力与泥沙耦合模型,计算珠江三角洲河网与河口夏季水沙通量,构建其收支模式,并分析水沙迁移路径与泥沙沉积特征。研究表明,西江为最主要的水沙输入源,磨刀门为最主要的水沙输出口门,蕉门次之。夏季泥沙以淤积为主,上游汇入的泥沙,有39.4％沉积于河网区,其余60.6％经八大口门输入珠江口后,有59.5％发生沉积,另外1.1％输入外海。河网区的水沙输送由径流控制,而河口区则由径流、潮汐、季风等因素控制。河网区各区域的沉积特点因动力条件的差异而呈现不同的规律,大量泥沙在西江干流、虎门水道淤积。珠江口中以内伶仃洋与磨刀门海域的沉积量最大,泥沙在西滩周边和磨刀门海域快速沉积,其中磨刀门海域淤积最为强烈。     

排沙漏斗悬移质泥沙运动数值模拟

排沙漏斗是一种利用立轴旋涡实现水沙分离的二级排沙设施。为了探明排沙漏斗悬移质泥沙运动特征和排沙机理,采用欧拉-拉格朗日方法模拟了排沙漏斗水气沙三相流动,其中水相和气相采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法描述,悬移质泥沙用颗粒轨道模型描述。通过对计算的悬移质含沙量垂向分布与实验结果的对比,验证了数学模型的可靠性。计算结果表明:在漏斗室外侧区域含沙量分布整体上较均匀,在漏斗室内侧区域的近底部存在一个明显的高浓度带。作者认为,上述排沙漏斗悬移质泥沙含沙量分布特征主要是由排沙漏斗内的二次流引起的。