明渠冰盖下流动的综合糙率

明渠冰盖下流动的综合糙率nc是确定冰期水位和流量关系的关键参数,本文根据冰盖区和床面区的边界条件和流量的连续性条件提出了通用的综合糙率公式,研究了冰盖下一般矩形明渠和宽浅明渠流速分布及流速比a对综合糙率nc的影响,在此基础上,计算分析比较了通用综合糙率公式、Einstein公式、Belokon-Sabaneev公式和Larsen公式的差异和使用条件,结果表明:对于宽深比b/H较小的矩形明渠,采用Belokon-Sabaneev公式将产生很大的计算偏差,Larsen公式只适合宽浅明渠,而Einstein公式是通用综合糙率公式的最好近似,推荐在工程设计中采用。     

冰期河道糙率分析和计算方法研究现状的评述

本文对现有冰期河道糙率分析和计算方法的研究现状进行了综述，包括冰期河道阻力的组成；河道综合糙率，冰盖糙率，冰盖糙率和床面糙率间的关系；冰期河道综合糙率的各种计算方法以及冰盖糙率和床面糙率的计算方法，本文还用计算例对各种综合糙率计算方法进行了比较，并对产期糙率研究的问题和我国北方河流冰期观测等问题进行了讨论。     

适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好。当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式。应用所得公式,比较了明渠流、冰盖流、冰塞条件下的起动流速及可起动最大泥沙粒径关系,冰塞条件下起动流速最小,可起动最大泥沙粒径最大。2014年冰期黄河头道拐断面发生强烈冲淤变化,是冰花集聚形成冰塞引起可起动最大泥沙粒径增大所致。所得公式及所揭示机理,将为进一步深入研究河道冰期泥沙输移规律提供重要思路和参考。     

封冻河道的阻力研究

冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用 Prandtl半经验紊流理论，推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式，并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论；对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究，并与现场实测资料进行了验证。     

大清河系观测河段及南水北调中线方案冰情计算分析

 为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为002～003，有冰盖时糙率增加到003～004；假定不出现冰情，观测河段水位将下降01～04 m，过流能力将提高30%～65%。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

国外有冰盖的河道水力学问题研究综述

在天然河流和输水渠道中,冰盖糙率造成的水头损失很早就引起了人们的关注.近年来,国外一些国家对此类问题进行了研究,并取得了一些成果.冰盖底面的轮廊形状对冰盖的糙率系数和河渠的综合糙率有很大影响,从而也影响了过水能力.本文根据国外这方面的研究资料,给出了国外对冰盖底面波纹的观测成果,分不同情况列举出了求解冰盖和渠底糙率的几种计算公式及与河渠过水能力的关系.也就是说,冰盖的糙率可以由野外量测水流流速分布的方法求得,河渠的综合糙率可按本文中给出的计算式求得.     

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.     

大清河系观测河段及南水北调 中线方案冰情计算分析①

为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为０．０２～０．０３，有冰盖时糙率增加到０．０３～０．０４；假定不出现冰情，观测河段水位将下降０．１～０．４ ｍ ，过流能力将提高３０％ ～６５％ 。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

新疆山溪性河流河道糙率分析

天然河道糙率是流量分析计算中的一个重要参数,河床糙率影响因素复杂,主要受河道河床质组成及床面特性、平面形态及水流流态、岸壁特性等河段特征要素控制。以部分山溪性河流实测资料为分析对象,得出多数河流糙率与水深关系较差,糙率一般随水深的增大而减小;糙率主要受河道河床质组成及床面特性、平面形态及水流流态、岸壁特性等河段特征因素影响。     

关于边壁校正方法的进一步研究

本文根据在不同宽深比和边壁糙率下实测的断面流速分布,分析了边壁对垂线流速分布的影响,得到了垂线最大流速位置α随边壁情况而变化的规律,并按α=1或α≥0.95作为定义二维区的标准,得到了二维区宽度b_c与宽深比和边壁糙率的关系.进一步分析表明,α线实际是划分边壁和底部控制范围的分界线,因此,可以直接得到A_b和A_w或R_b和R_w,从而提供了一种可直接进行计算的边壁校正方法.通过对Einstein的V=V_b=V_w假定检验表明,在B/H≥6.5时,假定成立,但当B/H<6.5时,假定不成立.     

分汊型河道潜洲阻力特性的试验研究

利用含潜洲结构的分汊河道模型,对潜洲阻力特性进行了试验研究.结果表明:①对于断面形状固定的河道,其糙率系数并不为常数,而是随均匀流水深、流量、断面平均流速以及雷诺数等水力要素的变化而变化;②对于不同床面布置的河道,其糙率系数也不为常数,而是随床面布置的变化而改变.     

部分冰盖下水流水力特性数值模拟

运用Fluent软件建立雷诺应力模型,模拟不同冰盖覆盖度下恒定均匀流流场,从纵向时均流速、二次流、雷诺应力、紊动能等方面揭示部分冰盖下水流的水力特性。结果表明：岸冰的形成会导致冰盖下水流在断面上重新分配,明流区流速增大,冰盖下流速减小;横向动量交换产生复杂的二次流结构,涡体形状、数量、大小和位置随着冰盖覆盖度的增加而变化;雷诺应力断面分布较复杂,冰盖附近区域雷诺应力为负值,负值区范围与冰盖覆盖度密切相关,并凸向明流区;冰盖、边壁和床面的粗糙度不同导致紊动能在断面上的分布呈现出明显的差异,冰盖区紊动能大于明流区的值,反映出岸冰对冰盖下水流结构影响的复杂性。     

非均匀沙床面粗糙度的分形特征

本文在分析非均匀沙床面颗粒随机分布特性的基础上，对床面颗粒暴露度函数关系进行了分析，通过简化颗粒的排列方式，利用分形理论研究了初始及粗化床面糙度的分形特征，结合实验资料讨论了床面糙率n与糙度分维数D的关系，并与床面糙率n和代表粒径(d50、d90)的关系进行了比较，初步认为对于初始床面分维数与床面糙率具有更好的相关关系，而粗化床面两者代表性基本一致，为更好地研究床面糙率、泥沙起动及其输沙过程提出了一种新的研究方法。     

冰盖下散粒体泥沙起动流速的试验研究

本文通过水槽试验，对模拟冰盖流的河床泥沙起动流速进行了试验研究，探讨了冰盖流下河床泥沙起动流速的变化规律。试验表明:冰盖下泥沙起动流速与冰盖及槽底糙率的相对比值有关。     

不同床面下极细沙水流对糙率影响的试验研究

利用天然黄河极细沙进行了不同床面、不同流量、不同含沙量情况下极细沙水流对糙率影响的水槽试验.结果表明:光滑水泥床面以及在光滑水泥床面上加糙的床面,均有减阻现象但不明显;在粗糙床面上,糙率系数随含沙量的增大而减小,但当含沙量为60～100 kg/m3时,糙率变化比较平缓,超过100 kg/m3时,糙率随含沙量的增加而减小;对于不同级配的悬沙,当含沙量超过某一临界含沙量时,糙率随含沙量的增大而减小,且细颗粒含量越大,减阻现象越明显.     

基于涡黏度模型的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解

冰盖的存在显著改变了河道水流结构,使流速垂向分布关于零切应力平抛物线面呈型。考虑到准确预测冰盖下水流流速分布是计算冰封河道流量、泥沙输移率和河床演变预估的基础,本文应用双层假定和冰盖流涡黏度模型,推导出一个物理意义明确且速度梯度连续的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解,并明确常见的冰盖流对数流速公式和双幂律流速公式的应用条件。采用水槽实测数据和原型实验数据,对比分析所提出的解析解与现有对数公式和双幂律公式的有效性和精确性,并基于本文解析解探究了纵向时均流速垂向分布对各物理特征参数的敏感性。结果表明,该解析解的流速计算值与实测值吻合较好且较现有对数公式和双幂律公式具有较高精度;雷诺数的较小变化并不会引起纵向时均流速垂向分布的较大改变,但流速分布对冰盖糙率与河床糙率的相对值比较敏感,且纵向时均流速的最大值偏向于较光滑边界一侧,该结论与以往基于k-ε湍流模型所得到的数值结果是一致的,再次证实了本文解析解的有效性。     

融冰期加厚冰盖糙率物理模型试验研究

流凌期输水能力可能成为制约输水工程冰期输水能力的瓶颈,而流凌期允许冰凌下潜,采用加厚冰盖下输水方式运行可以有效提高工程输水能力。加厚冰盖糙率的合理选择直接影响加厚冰盖形成后渠道水位和过流能力计算的正确性,但是加厚冰盖的糙率受到多种因素的影响,见刊的实测资料中,其糙率分布范围很宽。现以冻结模型冰为试验材料,以南水北调中线工程总干渠为原型,通过物理模型试验研究得到:输水渠道融冰期加厚冰盖形成初期糙率约为0.029,以供南水北调中线工程冰期输水调度和冰害防治提供参考。试验研究同时表明:水力加厚冰盖底面的最大水流弗劳德数取值0.09是合适的;力学加厚冰盖前缘都是水力加厚类型的,其长度大约与水面宽度相近;力学加厚冰盖形成和发展的过程是这样的一个循环:前缘发展→推挤增厚→前缘发展。     

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。     

冰盖河渠水深平均流速的横向分布

以Reynolds平均的Navier-Stokes紊流方程为基础,提出了冰盖河渠恒定流的水深平均流速的横向分布准二维模型,该模型包括了河渠流动的一些关键三维紊流因素,不仅适用均匀流和非均匀流,而且适用于明流和断面部分冰封的流动。建立了综合阻力系数fd与河床糙率系数nb和冰盖糙率系数ni的函数关系,其中nb和ni可以是常数,也可以是横坐标y的函数。典型冰盖梯形明渠的算例表明,本文模型具有足够的计算精度,同时计算明流无因次涡流黏度λ的方法也适用于冰盖下流动。     

密排粗糙床面明渠水流的紊动特性

为揭示密排粗糙床面对明渠水流紊动参数的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了加糙后紊动强度、雷诺应力和紊动能等参数的变化特征。结果表明:床面粗糙对紊动参数的影响主要体现在内区,而外区紊动参数的变化相对较小。加糙后纵向和垂向紊动强度相对值u'~+、v'~+在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re_*越大,v'~+越大,而u'~+越小;床面粗糙对内区水流有抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用;床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向。加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。不同工况紊动能相对值E~+在内区差异明显,随着相对水深η的增大,E~+差异逐渐减小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大,内、外区紊动能变化与床面粗糙抑制水流纵向紊动强度和加强质点垂向混掺作用等因素有关。