坡面植被水流水动力学特性研究

本实验为人工水草模拟植被覆盖条件下的坡面流水动力学特性研究,以水力学和流体力学基本理论为依据,通过室内定床阻力模拟放水实验,定量的研究了植被覆盖度为9.3%(2500簇/m2)的工况下,不同坡度和流量组合对植被水流各水动力学参数的影响。结果表明:坡面植被水流平均流速随坡度和流量的增大呈递增趋势,可用线性函数或幂函数关系模拟,且线性关系优于幂函数关系;植被坡面流平均水深与流量和坡度之间也存在着显著的线性关系和幂函数关系;植被坡面流的佛汝德数随流量的增加而减小、随坡度的增加而增大,并呈现出一定的幂函数关系,但佛汝德数主要受坡度的控制,流量对佛汝德数的影响很小;阻力系数随雷诺数的变化规律呈单驼峰形式,本实验条件下,在雷诺数为1500~2000时达到最大值,当雷诺数大于2000时,随雷诺数的增加阻力系数反而减小,最后逐渐趋于稳定,可见两者之间并非呈简单的递增或递减关系。     

植被覆盖度对坡面流相对水动力学特性的影响

为深入研究植被的水土保持效益,本文通过5个覆盖度,6个坡度和7个流量的组合条件下室内放水试验,研究相对流速,相对水深,相对弗劳德数和相对阻力系数等相对水动力学参数,结果表明:随植被覆盖度和流量增加,相对流速和相对水深均增加,植被减流效果增强,覆盖度分界点为4.650%,且植被覆盖度对相对流速的影响与流量有关,而坡度对二者影响甚微;相对弗劳德数随植被覆盖度和流量增加而增大,植被削弱坡面流侵蚀能力越强,覆盖度分界点与流速一致;相对阻力系数随相对水深的增加呈线性增大。本文为植被措施的选择和植被减水减沙效益评估提供参考。     

细沟侵蚀下的坡面水动力学特性研究

研究细沟水流水动力学特性,是了解和掌握细沟侵蚀机理的关键,也是建立土壤侵蚀预报模型的基础。本文在室内放水冲刷试验基础上,对不同土壤容重(1.2、1.35、1.5 g/cm~3)、流量(2、4、8、16 L/min)、坡度(5°、10°、15°、20°、25°)条件下的细沟水流水动力学特性进行了研究,结果表明:流量和坡度都是影响水流流速的重要因素,流速可以用坡度和流量的幂函数来表示,且坡度是影响流速的主要原因;土壤容重对流速有一定影响,且随坡度的变化对流速的影响存在差异;水流雷诺数变化范围在248~1932之间,土壤容重和坡度对雷诺数均没有影响,雷诺数主要与流量有关,且随流量的增大呈线性关系;细沟水流弗劳德数在各试验条件下基本大于1,属急流状态,土壤容重对弗劳德数的影响类似于流速,随坡度的不同有一定差异;水流阻力系数变化范围为0.04~0.955之间,随坡度和流量的增大呈先增大后减小的趋势,且受土壤容重影响明显,在低坡和陡坡下都随土壤容重增大而减小。     

U形渠道底坡对圆头量水柱测流的影响分析

为研究渠道底坡对圆头量水柱水力性能的影响,分析其在我国北方灌区的适用性,在U形渠道中对6种底坡、6种收缩比、3种长宽比的圆头量水柱进行了系统试验,分析了该量水设施在U形渠道中的水面线变化规律及不同底坡适宜的圆头量水柱体型,研究了底坡对上游水位壅高、水头损失、上游佛汝德数及临界淹没度的影响。拟合出简明实用具有量纲和谐性的流量公式,测流精度高。试验结果表明:在渠道流量、圆头量水柱收缩比和长宽比相同时,随着底坡的减小,上游水位壅高增加,影响范围逐渐上移;上下游水头损失及上游佛汝德数随着底坡的变陡而增大;圆头量水柱收缩比及长宽比的选择与底坡呈负相关关系;该量水柱具有较高的临界淹没度,可达0.90。     

地表糙率对坡面流流速影响的试验研究

地表糙率是影响坡面流流速特征及变化过程的重要因素。本研究采用变坡试验水槽在粗糙粒径(d≤10mm)、单宽流量(0.04~0.24 L·s-1·m-1)和坡度(2°~12°)范围内,利用定床阻力冲刷试验系统研究坡面流平均流速与粗糙粒径、流量和坡度之间的关系。结果表明:随着地表糙率的增加,水流克服阻力做功增加,能量降低,流速呈指数函数减小。地表糙率不同会导致坡面流速的主要控制因素不同,当粗糙粒径较小(0≤d≤2.5mm)时,糙率、流量和坡度对流速均有显著影响,解释方差分别为19.8%、44.8%和27.8%;当粗糙粒径较大(2.5d≤10mm)时,糙率和坡度对流速的影响很小(影响程度分别占8.8%和1.5%),流量为主要影响因素(占84.1%)。经多元回归分析发现,糙率对流速的影响最大(54.6%),流量次之(30.8%),坡度最小(6.6%),三者可以较好模拟定床条件下的水流流速(R2=0.919),且流速与糙率负相关,与流量和坡度正相关。该研究结果有助于深入了解不同糙率的定床阻力下坡面流流速的时空分布特征,为坡面土壤侵蚀过程物理模型的建立提供科学依据。     

相对粗糙度和雷诺数对90°弯管局部阻力系数的影响

工程水力计算中的弯管局部阻力系数多为经验值,取值因来源不同而相差数倍,直接影响水力损失计算精度和工程造价.以90°圆弧弯管为研究对象构建模型,采用不同粗糙度钢管试验验证了三种k-ε紊流模型的正确性,在工程常用雷诺数范围3.2 ×104≤Re≤3.2×107和相对粗糙度范围0≤Δ/D≤0.002,模拟计算了不同相对粗糙度和雷诺数组合下的200余种工况的局部阻力系数.结果发现局部阻力系数与沿程阻力系数有类似的分区特征,存在光滑区、过渡区和粗糙区.在光滑区,局部阻力系数与雷诺数呈幂函数递减;在过渡区,局部阻力系数与雷诺数和相对粗糙度均有关;在粗糙区,局部阻力系数与相对粗糙度正相关,与雷诺数无关.局部阻力的影响长度在光滑管内随雷诺数增大呈非线性递增,在光滑管以外,随雷诺数的增大先递减然后趋于稳定,与相对粗糙度呈负相关.局部阻力系数与沿程阻力系数之间有一定函数关系,函数系数的变化仅与相对粗糙度有关.研究结果可为弯管局部损失的估算提供参考.     

台阶式溢洪道阶顶过流断面弗劳德数沿程变化研究

弗劳德数是明渠水流的重要水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。本文将台阶式溢洪道弗劳德数和对应光滑溢洪道弗劳德数对比,引入相对弗劳德数概念。通过26.57?、32.01?、38.66?和51.3?四组不同坡度,0.5~2.0m不同台阶高度的15组模型试验,分析了非均匀流段台阶式溢洪道弗劳德数及相对弗劳德数与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能水头之间的关系。台阶式溢洪道弗劳德数与这些参数关系复杂,不便分析应用,而台阶式溢洪道相对弗劳德数和这些参数呈良好线性关系,试验结果证实了引入台阶式溢洪道相对弗劳德数的必要性。     

通过相对比能计算台阶式溢洪道水头损失的研究

水流比能是重要的水力参数,反映水流运动部分的能量。将台阶溢洪道与光滑溢洪道的断面比能进行对比分析,引入台阶相对比能的概念,准确反映台阶溢洪道与光滑溢洪道水头损失之间的差别。通过26.6?~48.0?坡角、0.5m~2.0m台阶高度的21组模型试验,分析了台阶溢洪道比能及相对比能与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度之间的关系。台阶溢洪道水流比能与这些参数关系比较复杂,不便分析应用,而台阶溢洪道相对比能与流程长度呈良好的线性关系而且斜率与单宽流量无关,与台阶高度、坡度呈递增关系,便于分析应用,试验资料证实了引入台阶溢洪道相对比能的必要性。提出计算台阶溢洪道水头损失的经验公式,为相关设计提供参考。     

回转式空气预热器蓄热元件流动传热数值模拟

为研究回转式空气预热器蓄热元件流动与传热特性,采用Fluent软件对3种搪瓷蓄热元件进行数值模拟,获得蓄热通道速度、温度、压力云图及不同雷诺数下努塞特数和阻力系数的变化图像。模拟结果表明:3种板型蓄热元件阻力系数随雷诺数的增加而减小,努塞特数随雷诺数的增加而增加;增加斜波纹的蓄热元件传热性能提高,流动阻力增大,波纹参数是影响蓄热元件流动阻力的重要因素,壁面温度对其影响较小。该结果可为回转式空气预热器蓄热元件的优化设计提供参考依据。     

多向扰流换热管管内传热与流动特性数值模拟

采用Realizable k-espilon湍流模型对不同雷诺数下的多向扰流换热管进行数值模拟,首先在光滑管中进行数值模拟,并与经验公式进行对比,验证了该数值方法的可靠性;其次研究了该换热管的结构参数及雷诺数的变化对努塞尔数和阻力系数的影响,进而分析出同一雷诺数下槽深比、节距比的变化对湍流动能和出口温度分布的影响,最后归纳出努塞尔数和阻力系数随结构参数及雷诺数变化的准则关联式。结果表明:随着结构参数的变化,多向扰流换热管的传热与流动性能都会发生显著的变化;当节距比和雷诺数不变时,努塞尔数、阻力系数、湍流动能都随着槽深比的增大而增大;当槽深比、雷诺数不变时,努塞尔数、阻力系数、湍流动能随节距比的增大而减小。研究表明多向扰流传热特性优于光滑管,可以起到较好的强化传热作用,准则关联式可为强化换热提供理论指导。     

U形明渠流量与悬垂平板偏转角关系研究

为确定明渠流量与平板偏转角度的关系，本文研究了悬垂薄平板在明渠水流冲击作用下的动力学特性及平板偏转现象，分析绕轴自由旋转薄平板在水中的受力，将平板所受水流作用力竖直向上的分力假设为静水压力，应用动量定理与力矩平衡原理，推导了平板偏转角度α与流量Q之间的理论关系式，并在U型渠道上进行试验，验证理论公式的合理性。流量小于10 L/s时计算流量与实测流量的相对误差超过10%，其他均小于10%，流量大于17 L/s时误差均小于5%以内，测流范围在10 ~ 44 L/s，当悬垂薄平板与明渠横断面等大时，流量Q与偏转角度α存在单值对应关系，角度α随着流量Q的增大而增大；板前后水位差?h随着角度α增大有逐渐减小并趋于定值（大概3 cm）的趋势，平板下水流流态随着平板偏转角度的增大由急流过渡为缓流；绕流阻力R随着雷诺数Re的增大而增大，阻力系数Cd随着雷诺数Re的增大而减小，平板偏转角度α与板前后水位差和阻力系数有关。     

低温循环环境下不同含水状态砂岩剪切性能

针对低温循环环境下不同含水状态砂岩剪切性能展开试验,分析含水状态、低温循环作用对砂岩剪切性能的影响规律。研究结果表明：低温循环作用后,相同含水量砂岩试样内摩擦角、凝聚力有不同程度降低,并随含水率增加而加剧。砂岩剪切破坏面粗糙度系数随饱水系数增加呈不同程度增大趋势。含水砂岩剪切破坏形态受低温循环作用因素影响较为显著,粗糙度系数随低温循环次数呈显著的幂函数递增关系。砂岩内摩擦角、凝聚力损伤因子随粗糙度系数增量呈显著指数函数递增关系。研究结论可为低温环境下砂岩剪切损伤模型的建立、寒区受损砂岩剪切性能原始状态反演分析提供依据。     

黄土区工程堆积体石砾对流速及产沙影响试验研究

由于堆积松散、颗粒粗、组成物质复杂、坡度大等特点,生产建设项目工程堆积体侵蚀过程与农地、撂荒地相比有较大区别,是典型的人为加速侵蚀。在各类生产建设项目工程堆积体野外调查基础上,室内概化堆积体代表性下垫面,通过人工模拟降雨试验研究堆积体中石砾对流速及产沙影响。结果表明:(1)不同石砾含量下垫面流速在产流3 min内迅速递增,随后趋于相对稳定。坡度小于25°时,含石砾坡面流速小于纯土体,此时石砾存在增加径流弯曲度,阻碍径流流动,平均稳定流速与雨强及石砾含量呈幂函数关系;而坡度大于25°时流速与雨强及石砾含量呈二元线性关系。(2)产沙率在产流前12 min呈波动性递减,随后趋于相对稳定,初期产沙率是稳定期的1.7~3.1倍。雨强1.5 mm/min较1.0 mm/min的平均产沙率增加82.7%~117.3%。坡度对堆积体产沙影响存在一个阈值,在25°左右时产沙率最大,可达其他坡度下的1.3~1.7倍。在初期及稳定期的产沙率均表现为纯土体大于含石砾坡面,可增加0.6%~28.7%,各场次降雨下产沙峰值主要集中在产流开始后的前3 min内。(3)在侵蚀初期、稳定期及整个侵蚀过程的平均产沙率均与流速呈显著相关。随雨强增大1.5倍,次降雨侵蚀量可增加74.0%~95.9%,且总体表现为纯土体侵蚀量大于含石砾坡面,产流前12 min侵蚀量可占次降雨侵蚀量的38.3%~50.7%,因此,在进行堆积体水土流失防治中,尤其要注重初期的措施配置,以减免堆积体严重侵蚀。     

液体乙醇微细尺度层流扩散燃烧实验与数值模拟

液体乙醇在微细尺度陶瓷管中流动和管口燃烧,通过实验和数值模拟的方法研究了乙醇微火焰结构和火焰中心温度以及陶瓷管口温度与雷诺数Re的关系。结果表明,Re 15时,火焰高度和宽度无量纲与Re呈线性关系;15Re 18时,火焰高度和宽度无量纲小范围水平波动;当Re18时,火焰高度无量纲与Re又呈线性关系,火焰宽度无量纲在小范围水平波动。火焰中心温度和陶瓷管口外壁温度总体趋势是随Re的增加而增加。同时,实验拍摄图的火焰结构与数值模拟温度图高温区结构近似;火焰高度和宽度无量纲、火焰中心温度及陶瓷管口外壁温度的数值模拟值与实验计算值吻合良好。     

水电站进水口及压力管道的水力试验研究

本文针对我国某大型水电站进水口的模型,对水电站的斜坡进水口的流速分布及压力管道的压力分布进行了试验研究和分析。结果表明,对于斜坡进水口,进水口断面的佛汝德数和几何边界条件是影响断面无量纲流速剖面的两个主要因素;压力钢管的阻力系数随着库水位的变化而改变。所得结论对工程实际和进一步的研究都具有一定的参考价值。     

台阶式泄水建筑物的消能分析

应用重力相似准则,对台阶式泄水建筑物的消能进行了系统的模型试验研究.结果表明,当坡角θ=5.7°～60°,相对临界水深hk/h≤3以内,跌落水流、过渡水流和滑行水流三种流况条件下的消能率基本相同,其消能率随相对坝高(hdam/hk)增加而增大,随坝坡变陡而减小.台阶段消能率与消力池消能率之间的关系为,随坝坡变陡,台阶段的消能率逐渐变小,消力池的消能率逐渐增大,也就是说,台阶段和消力池之间的消能率之差随坝坡变陡而逐渐加大.台阶高度对消能率影响很小,大约只有1%左右,消能率随流量增大而减小.     

大坡度台阶式溢洪道中的水翅现象

水翅是大坡度台阶式溢洪道在流量较小时出现的一种水流现象。模型试验表明:当斜坡角度为40°~60°时,水翅几乎存在于整个跌落水流范围内,甚至持续到过渡水流。随着溢洪道底坡的增大,水翅流量变化范围变小、高度增加;但是随着台阶尺寸的减小,流量变化范围缩小、高度降低;水翅的落点处,台阶面上压强明显增大。     

台阶式溢流坝的时均压强特性

当yc/h<3时,3种坡度(40°、50°和60°)的台阶式溢流坝试验结果证明,在初始台阶上,作用在水平面上的时均压强均为正值,其最大压强随流量增大,由台阶中部逐渐移向台阶外边缘;跌落水流时台阶竖直面上部范围出现的负压,在进入过渡水流以后全部变为正值。其他各台阶水平面上,除挑射水流越过的数个台阶外,在各级流量下时均压强为正值,其最大值均在台阶外边缘;台阶竖直面上部的时均压强为负,下部的时均压强为正,随流量增加负压绝对值增大,范围缩小。其中跌落水流时负压占台阶高度的75%,进入过渡水流后负压约占台阶高度的60%。     

泡沫金属矩形通道中对流换热的实验和模拟

实验研究和数值模拟了泡沫金属三维矩形通道内的流动和传热,引入基于渗透率的雷诺数和达西数,确定了泡沫金属对流换热和流动阻力的准则关系式,并分析了多孔结构参数和气体流速对对流换热系数、阻力系数的影响。研究结果表明:泡沫金属对流换热模拟结果与实验数据趋于一致,互为验证了可靠性;泡沫金属的换热强度和流动阻力均随孔径的减小(孔密度的增大或孔隙率的减小)而增大,大孔径的泡沫金属具有较好的对流换热综合性能;气体流速的增加有利于强化换热。     

矩形通道内混合对流入口段阻力特性的实验研究

通过实验研究中心截面沿主流方向带有均匀加热平板的矩形通道混合对流入口段的阻力特性,得到Re数、Gr^＊数和倾斜角度对阻力系数的影响。实验结果表明：阻力系数随倾斜角度｜θ｜的增大而增大,在RP数的不同范围内呈不同的特性。Re数小于1500时,阻力系数随Re数的增大而减小,随G^＊数的增大而增大。当Re大于1500时,阻力系数受Re数和G^＊数的影响很小。综合考虑JRP数、Gr^＊数、倾斜角度及管道长径比的影响,对Re数大于1500和小于1500分别给得出了阻力系数的关联式,该组关联式与实验数据吻合良好,偏差小于10％。