Coupling of the flow field and the purification efficiency in root system region of ecological floating bed under different hydrodynamic conditions

The artificial ecological floating bed is a commonly adopted in situ treatment technique for repairing and purifying polluted water. The plant root system of the floating bed is the primary region to absorb and degrade the pollutant of water. Its inner flow field characteristics and the interactive water quantity with the surrounding water greatly impact the purification efficiency of the floating bed. In this paper, the particle image velocimetry(PIV) technology and the boundary velocity direct extraction method are used to study the velocity distribution of the root system region by numerical simulations and experiments in an experimental water channel. A pollution removal rate(PRR) evaluation model is built to calculate the PRR by coupling with the flow velocity field of the root system region. The variations of the total pollutant removal rate(TPRR) are discussed for different center distances( L= 0.30 m, 0.45 m, 0.60 m), flow velocities( v= 0.007 m/s, 0.015 m/s, 0.025 m/s, 0.040 m/s, 0.055 m/s, 0.070 m/s) and root system porosities( P= 54.73%, 68.33%, 79.17%). The results indicate that the position arrangement of the floating beds influences the TPRR significantly, and the distance should be limited in a reasonable range for a high purification efficiency. Moreover, the root systems with higher porosity( P= 68.33%, 79.17%) have higher TPRR value than a lower porosity root system(P= 54.73%) within a certain flow velocity range, and the higher porosity root system has less fluctuation of the TPRR value than a lower porosity situation within a wide flow velocity range. Furthermore, under the same center distance condition, the lower flow velocity condition brings about a significantly higher TPRR value than the higher flow velocity situation.     

不同布设方式的生态浮床对水流结构影响研究

生态浮床是一种应用广泛的水质净化水体修复技术。在河道中布设生态浮床会干扰水流结构,影响河道行洪排涝能力。本文区分低透水性浮床主体区和高透水性浮床根系区,运用两层式固定多孔介质域概化生态浮床,构建生态浮床不同布设方式的水槽三维水动力数学模型,对比分析无浮床、浮床不同间距串联或交错排列等14种工况的水槽水动力特性及其变化规律。布设浮床后浮床上游水面壅高、下游水面先局部降低后恢复,浮床段流速垂线分布呈“纺锤形”且平均流速和紊动能明显增大。相较于串联排列,交错排列方式对水流结构影响程度较大,且水位、流速、紊动能等水动力参数随浮床间距的变化趋势相异。因此,考虑对洪水位的壅高及增强水流紊动强度利于污染物扩散,实际应用中需结合研究成果合理选择生态浮床的布设方式。     

上流式分段厌氧反应器内流场的三维数值模拟研究

针对上流式分段厌氧反应器(Up-flow Staged Sludge Bed)内部流场流态的复杂情况,采用多相流欧拉模型通过数值模拟考察了进水方式、挡流板结构形式、进水流速对反应器内三维流场的影响。模拟结果表明:在局部进水和较宽回流缝(50 mm)的结构形式下反应器内呈现较好复合流态;并且进水流速为0.001 m/s时,反应器内污泥床层不仅保持较好的浮动状态,而且污泥床层上部形成了颗粒污泥的悬浮区域,实现反应器内废水与颗粒污泥的充分接触和混合。     

袁河新泉乡段梯级溢流堰水动力模拟及侵蚀分析

为了分析梯级溢流堰对袁河新泉乡段河道行洪及河床抗冲的影响,优化河道治理工程中溢流堰布置,建立了将拦河溢流堰作为闭边界条件的二维水动力数值模型,采用非结构化网格的有限体积法,对比分析了十年一遇洪水情况下梯级溢流堰建设前后河道水动力、河道水位、流场沿程变化特征,讨论了溢流堰布置对河道防洪及冲刷的影响.结果表明,在十年一遇洪...     

环形波纹钢管涵洞式鱼道水力特性数值模拟

环形波纹钢管涵洞式鱼道内波纹的粗糙度可以使边界附近产生足够低的流速,鱼类可以由此游向上游。对3种流量0.05,0.07,0.09 m3/s,3种埋深0D,0.1D,0.2D,坡度0.4%工况下,环形波纹钢管涵洞式鱼道内水面线、流速场和紊流场分布分别进行了数值模拟研究。结果表明环形波纹钢管涵洞中,高流速区（无量纲流速大于0.9）位于涵洞过水断面中心区域,高紊流区（紊流强度大于0.2）位于水面中心附近。在涵洞底部边壁附近较大区域内,由于流速较小,紊流强度也较低（紊流强度小于0.1）,鱼类可以由此顺利完成上溯。相比无埋深式涵洞,嵌入式涵洞内平均流速较小,紊流强度变化较为平缓,更有利于鱼类的洄游。     

航道整治水文情势变化对四大家鱼产卵场的影响——以荆江周天河段为例

以长江中游荆江周天河段航道整治工程为例,采用平面二维水动力数学模型,对工程修建后水流流态、水位和流速等水力因素变化进行计算分析,进而研究航道整治工程所导致的水文情势变化对河段内四大家鱼产卵场的影响。研究表明:工程实施后,产卵期水位变化约-0.01～0.01 m,流速变化约为-0.10～0.15 m/s,不会对产卵场水流流态造成大的影响;潜丁坝工程会导致局部流速以及附近河床冲淤的变化,但客观上起到了人工鱼礁的作用,为鱼类提供良好的庇护、栖息及觅食等环境,一定程度上有利于鱼卵的受精和正常孵化;工程水下沉排和抛石使得局部河床地形更为复杂,但对河床地形地貌影响范围和程度较小。     

大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力影响研究

为研究大樟溪入汇对乌龙江洪水水动力的影响,采用二维数学模型计算分析了不同洪水工况下乌龙江河道流量、水位及流速分布特征。结果表明:50 a、100 a、200 a一遇工况下,乌龙江流量分别减少125 m~3/s、167 m~3/s、190 m~3/s,相应分流比减少0.38%、0.47%、0.50%;乌龙江进口至峡兜河段洪水位壅高幅度分别为0.10～0.28 m、0.10～0.35 m、0.10～0.42 m,大樟溪入汇对入汇口上游乌龙江河道水位的影响更大;入汇口上游河段流速减小幅度基本在0.10 m/s以下,其中由支干流水流相冲引发的水体滞留区流速最大分别减小0.26 m/s、0.26 m/s、0.31 m/s,入汇口下游左侧主河槽部分流速增幅基本在0.10 m/s以上、右侧支汊除上段流速增幅达0.10 m/s以上以外其余区域流速增幅均小于0.10 m/s,入汇口下游近右岸侧回流区流速最大分别减小0.20 m/s、0.20 m/s、0.20 m/s,大樟溪入汇对入汇口下游乌龙江河道流速的影响更大。     

泄洪洞双扩型挑流消能水力特性数值计算

以某工程泄洪洞双扩型挑流鼻坎消能防冲为研究对象,基于三维不可压缩流体k-ε紊流模型,采用FLOW-3D软件对双扩型挑流鼻坎进行三维数值模拟分析,分析了下游河道流速、水舌是否直接冲击河岸,探讨了原始方案与2个优化方案的挑流鼻坎体型对河床的冲击及其水力特性,并针对不同工况时计算结果,给出了该挑流鼻坎的最佳体型,以满足消能和泄流的要求。结果表明:经多方案数值计算的对比,相比于原方案,反弧半径从64 m增加到128 m,反弧段长度增加10 m,边墙扩散宽度收窄0.4 m,挑角从43.4 °减小到25 °;调整后低水位低流量工况下水舌砸岸情况明显改善;水舌挑距从91.2 m增加到118.8 m,远离岸坡;河道左右岸最大流速分别下降0.7 m/s和1 m/s,且回流减小。研究成果可为挑流消能下游流态的改善提供一定的参考。     

Numerical investigation of flow through vegetated multi-stage compound channel

This paper addresses the problem of the renormalization group k turbulence modeling of a vegetated multi-stage compound channel. Results from Micro acoustic Doppler velocimeter（ADV） tests are used with time and spatial averaging（doubleaveraging method） in the analysis of the flow field and the characterization. Comparisons of the mean velocity, the Reynolds stress, and the turbulent energy distribution show the validity of the computational method. The mean velocity profile sees an obvious deceleration in the terraces because of vegetation. Secondary flow exists mainly at the junction of the main channel and the vegetation region on the first terrace. The bed shear stress in the main channel is much greater than that in the terraces. The difference of the bed shear stress between two terraces is insignificant, and the presence of vegetation can effectively reduce the bed shear stress.     

大扩散角进水流道水力诊断及优化

为解决大型火电站循环泵顽固性振动,采用雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,对1 000 MW超超临界火电机组并联泵循环水流道与循环泵内水力状况进行FLUENT三维数值诊断性分析,模拟研究了进水流道内的流体流动形态、流速分布以及泵体周围和喇叭口周围流场的水力问题,并依此对循环水道进行了优化整流方案研究。研究结果表明,循环水流道前池过短且为不规范矩形,由引水段冲入的流体无法在前池内得到充分发展扩散,吸水室内水流流态严重偏流乃至贴壁流动,近壁流体流速差可达0.3 m/s;喇叭口处截面流速严重不对称,循环水泵周围流场紊乱,来流两侧水流流速差异过大,流速差最大可达0.5 m/s,进水条件恶劣。采取针对性优化整流方案后,进水流道内水流流态分布更加均匀,水泵进水条件得到显著改善。     

草街水电站尾水渠段扩挖清淤优化方案研究

嘉陵江草街水电站尾水渠段由于乱石突出,水流紊乱,河床淤塞,导致运行尾水位偏高,水头损失增大,水轮机工作水头降低.针对上述问题,拟通过对渠道扩挖清淤,改善尾水渠流态,保证下泄畅通,降低尾水位,扩大水电站发电效益.建立了尾水渠段二维水流数学模型,模拟计算了多级流量下尾水渠清挖范围内水位、流场及流速分布情况,计算成果表明,扩...     

The spatial arrangement of Neritina virginea (Gastropoda: Neritidae) during upstream migration in a split‐channel reach

This paper relates differences in flow hydraulics between a main channel (MC) and a side channel (SC) of a river to patterns of upstream migration by Neritina virginea (Neritidae: Gastropoda), a dominant diadromous snail in streams of Puerto Rico (Greater Antilles). Near‐bed water velocity, snail density and shell size were measured on a weekly basis between August and December 2000 along cross‐sections in a main channel (MC) and an adjacent channel (SC) under a bridge crossing of the Río Mameyes of Northeastern Puerto Rico. Near‐bed velocity and water depth were used to compute Reynolds (Re) and Froude (Fr) numbers, and to classify flows within each channel. During base flow conditions (<2 m³ s⁻¹), flow was chaotic and supercritical (Fr > 1) in the MC, and non‐chaotic and subcritical (Fr < 1) in the SC. Higher mean densities (>100 ind m⁻²) of relatively small snails (mean ± s.d., 6.3 ± 2.8 mm) were consistently recorded in the MC. Conversely, the SC had lower mean densities (<20 ind m⁻²) and significantly larger snails (7.6 ± 2.4 mm). Within the MC, migratory groups preferred near‐bed velocities > 0.8 m s⁻¹. Within the SC, they preferred the channel thalweg and depths > 30 cm. The spatial arrangement that was observed between and within the channels may be related to food resources, predation pressure or biomechanics. Characteristics of preferred upstream migration pathways of N. virginea must be accounted when building road crossings in coastal streams with diadromous fauna. Published in 2007 by John Wiley & Sons, Ltd.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE FLOW THROUGH HANGED-PLATE OF THE TWO-STOREY INTAKE

ＮＯＭＥＮＣＬＡＴＵＲＥＡ ,Ｂ　ｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎＣａ,Ｃｂ 　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＣｆ 　ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＤ0 　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｈａｎｇｅｄ ｐｌａｔｅＦｒ0 　ｔｈｅｆｒｏｕｄｅｎｕｍｂｌｅｏｆｕｐ     

布袋莲对渠槽曼宁系数之影响

当河道布满布袋莲时，大雨来临会使得布袋莲阻塞桥墩间流水空隙，造成排水不良而危及桥梁安全及造成区域之淹水。本研究利用渠槽试验求得渠槽内覆盖布袋莲之曼宁系数，并利用HEC-RAS模式分析本试验渠槽内覆盖布袋莲对渠槽上游水位抬升之情况。本试验所求得覆盖布袋莲之渠槽曼宁系数随着流速改变，流速范围在0.76～11.65cm/s时其曼宁系数为0.026～0.416，而平均值为0.098。以渠槽试验为基准，当流量为1.91×104cm³/s及布袋莲根系长度13cm时，两者上游水位抬升约差6.46%。由研究得知布袋莲根系愈密集渠道试验与数值模拟所得结果愈接近，而且河道满布袋莲时会致使上游水位抬升。     

基于分形理论的冰下水流流速垂线分布研究

冰下水流流速分布是冰凌生消、泥沙输移、河床演变及冰期输水的重要参考依据,基于分形理论,在前人的研究基础上,研究了冰下水流流速垂线分布规律。结果表明,依托明渠水流的若干成果,从分形理论出发,基于Einstein假定,可推出已有冰下不同形式的流速垂线分布公式;理论分析认为,冰下分区水流流速分布近似镜像,均具有分形特征,可用双对数公式表达,实测结果证明,对于弯曲河道,水流核心区流速分布均匀,并不服从对数分布,公式在运用时需考虑适用性或引入因子项;稳封期,冰盖区水流流速分布的分维值大于河床区,流速分布更均匀,而在弯道卡冰区域,由于弯道冰下水流结构的复杂性,河床区水流流速分布的分维值无规律。对冰下水流流速的研究,拓展了分形理论在水流流速垂线分布研究方面的应用成果,概化的冰下水流结构,对工程运用有一定借鉴意义。     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

淹没与非淹没植被作用下复式河槽流速最大值分布

本文收集了不同系列的淹没与非淹没植被作用下复式河槽的流速资料并对复式河槽中流速最大值的横向分布进行了探讨。结果发现滩地流速最大值基本保持在水面附近而主槽中的流速最大值都在水面以下;当滩地种有非淹没植被时;主槽中的流速最大值分布与无植被时几乎一致,滩地流速最大值在植被密度较小时仍在水面,但当植被密度较大时,最大值会向床面靠近;当滩地种植淹没植被时,流速最大值的位置会随着植被淹没度的增加而逐渐上升,最终保持在水面附近。     

嘉陵江草街船闸上游引航道水力学问题研究

嘉陵江草街船闸闸室尺寸为200.0 m×23.0 m×3.5 m(长×宽×门槛水深),最大工作水头26.7 m,其综合水力指标居我国已建单级船闸前列.施工期通航上游水位192.0 m,此时其上游引航道水深仅为2.9 m,如果阀门按设计指标正常开启,船闸灌水时上游引航道非恒定流特征明显,浮式导航墙存在较强斜流和漩涡,引航道水面比降及纵向流速较大,危及船舶通航安全,此外船闸进水口淹没深度较小,流量达到一定值时将出现较强漩涡,严重时还会出现贯穿吸气漩涡,影响闸室船舶安全.通过原型调试结合数学模型计算,解决了草街船闸施工期通航上游引航道特殊水力学问题,确定了船闸施工期通航运行方式,保证了船闸施工期通航安全运行.     

选矿尾砂在水流中的运动规律试验研究

选矿过程会产生大量尾砂,尾砂大部分堆放在尾矿库,而堆放在尾矿库的尾砂可能随降雨进入河道,对河流产生影响。通过在长宽高分别是23,1,0.6 m的水槽中开展试验,研究流速为0.05~0.3 m/s、投砂速率为20~315 g/min条件下的选矿尾砂在水流中的运动规律,分析尾砂扩散、淤积形态和淤积量分布、含沙量沿程分布规律。试验结果表明,尾砂进入水槽后,存在明显扩散;尾砂淤积总量占投砂总量的比例随流速增大而减小,当流速从0.05 m/s增加至0.3 m/s时,淤积比例从75%以上降至不足25%;投砂主要影响区域内含沙量沿程呈减小趋势,含沙量分布与指数公式拟合的较好,相关系数R²值约为0.9。     

大坝泄水对鱼类洄游能力的影响研究

大坝的建设将天然河道分隔成上、下两个环境单元,改变了河道的流量、流速和水位等水文要素,使原有的水力条件及生态环境都发生了变化,对鱼类的洄游、繁殖和生长等都产生较大影响。以江河湖泊常见鱼种—成年鲤为研究对象,以0.02 m~3/s为基础流量,按照0.01 m~3/s的流量递增进行大坝泄水模拟实验;采用声学信号监测技术监测成年鲤在不同泄水量下的洄游能力及游泳轨迹,分析不同泄水量的河道流场并与鱼类游泳轨迹进行拟合,研究不同流速对鱼类洄游能力的影响。结果表明:成年鲤的洄游距离、游泳速度随着河道流速增大而逐渐减小,成年鲤洄游开始出现困难、开始出现逆流后退以及无法洄游时河道流速分别为0.42,0.48 m/s和0.62 m/s;泄水量每增加一个0.01 m~3/s流量梯度,成年鲤洄游距离约减少1.5 m,说明随着河道流速增大鱼类洄游轨迹变化是一个逐渐收敛的过程。大坝泄水过程同时还会造成氮气和氧气过饱和、改变水体温度和浊度从而对鱼类生存环境、繁殖及鱼类资源造成影响。