挟沙气流中输沙量垂线分布的实验研究

为了克服传统的垂直集沙方法在近床面区测量精度较低的缺陷 ,本文将垂直集沙方法和水平集沙方法结合 ,在风洞内测量了气流中输沙量沿垂线的分布 ,同时对沙粒沿风洞轴向的水平降落量进行了量测。实验分别针对五种风速条件和两种沙粒级配条件进行。结果表明 :挟沙气流中输沙量沿垂线分布的上段符合传统的指数递减分布规律 ,近床面区的输沙量较对应的指数分布函数预测值偏大 ,偏大的程度随气流摩阻速度和沙粒粒径的增大而减小。采用本文的实验方法可以半定量地揭示近床面区输沙量偏离指数递减分布规律的原因 ,并能够合理地概括以往关于近床面区输沙率测量精度研究的各个方面的论述。     

近床面区挟沙气流流速垂线分布特征

以测试参数较为齐全的挟沙气流风洞实验资料为基础，结合已有各家资料重点对近床面区挟沙气流流速垂线分布进行了系统的分析。在对近床面区沙粒跃移层内气流剪切应力分布的理论分析基础上，指出了该区的剪切应力由沙粒临界起动风速、沙粒垂直速度的垂线变化和输沙量垂线分布三者决定，并进一步导出了近床面区的挟沙气流流速垂线分布廓线方程，由该方程计算得到的结果与实测资料吻合很好，此外，研究还表明，Bagnold提出的不同风力条件下挟沙气流流速廓线聚焦于一点的观点基于正确，但这一点不宜作为跃移层内外风速廓线的分界点，实际失发界点高度是沙粒跃移层外气流摩阻速度平方的0．015倍；Owen提出的跃移层外层速廓线方程基本合理，但其中有效粗糙度公式中的系数C取值为0．04时更符合实测资料；来流速度相同的情况下，挟沙气流的摩阻速度大于清洁气流的摩阻速度。     

风洞边壁对挟沙气流流速分布的影响

鉴于现有挟沙气流流速分布研究中对风洞边壁影响的认识不足，本文通过改变风洞宽度的方法对风洞边壁的影响进行了探索性实验研究。在五种宽高比条件下，对风洞断面挟沙气流流速分布进行了测量。发现风洞边壁对挟沙气流流速分布有较为明显的影响。在风洞宽度比相同的条件下，断面内中垂线上的有效粗糙度系数大于其它垂线上对应的系数。从靠近边壁的垂线到断面中垂线，各垂线对应的跃移层内区及外区流速分布的上界高度、气流摩阻速度均逐渐增大。随着风洞宽高比的减小，断面内中垂直线上的气流摩阻速度与自由流速的比值以及受风洞边壁影响的气流厚度均增大。     

垂直点阵集沙仪的集沙效率

垂直点阵集沙仪是挟沙气流中输沙量垂线分布测量的主要仪器，各类垂直点阵集沙仪的集沙效率有所不同，因而相应获取的实测资料之精度也差异较大，作者将大量实测输沙量垂线分布数据与获取这些数据的集沙仪类型相联系，分析了各类垂直点阵集沙仪的集沙效率。发现在近床面区各种集沙仪的集沙效率都较低提出了“集沙效率指标”。即用近床面区实测输沙量分布与上段输沙量确定的分布在近床面区外延计算值之间的偏离程度来反映各种集沙仪的集沙效率变化特征，在风速和沙粒粒径相似的条件下，集沙效率指标值越大，对应的集沙效率也越高，单管集沙仪的集沙效率最高，一般点阵式集沙仪的集沙效率次之，台阶式点阵集沙仪的集效率最低。集沙效率指标随集沙仪类型的变化主要受集沙仪中单个进沙口高度影响，反映了集沙仪内部排气状况的重要性。通过对气流速度和沙粒粒径等因素对集沙效率影响的讨论，提出了可以通过改善近床面区集沙条件，减小集沙进沙口高度等方法来提高集沙效率的建议，这些对进一步研制高效的集沙仅都具有参考价值。     

风沙流中沙粒粒度的垂直和水平分布特征

鉴于现有对风沙流中沙粒粒度分布特征的研究很少,本文通过风洞实验,在粗沙和细沙两种床面上、五种风速条件下,采集中垂线垂向集沙及其后水平方向集沙的沙样,并对沙样进行沙粒粒度分析实验。实验结果发现,沙粒粒度频率曲线形态为单峰偏态分布,并与其对应的床面沙粒组成有关。沙粒粒度的平均粒径在垂直方向和水平方向上,均呈指数递减;气流风速越大,平均粒径越大;当风速增加到一定程度时,气流对沙粒平均粒径变化的影响逐渐减小;沙粒在垂直方向上的平均粒径,均大于其对应的床面沙粒平均粒径。沙粒粒度的标准偏差,随着平均粒径的增大而增加。沙粒粒度的偏度系数和平均粒径的相关关系,与其对应的床面沙粒组成有关。由实验结果讨论得出,在非均匀风沙流的沙粒起动中,细颗粒沙粒的平均起跳速度大于粗沙粒,而粗颗粒泥沙的起跳率大于细沙粒。     

明槽水流的非均匀沙挟沙力研究

本文从床沙、推移质及悬移质互相交换、衔接的物理图形出发，在力学、随机及紊动扩散分析基础上，提出了颗粒跃移及推移质、悬移质和全沙统一的新的非均匀沙挟沙力公式。文中公布了新近试验取得的57组非均匀沙挟沙力水槽资料，分析提出了反映混合沙中粗细颗粒互相影响的系数的关系，提出了悬移层与推移层交界面高度及浓度预报新的初步关系.应用本文提出的挟沙力系列公式计算验证了大量天然河流及水槽实测分组和总挟沙力资料，计算与实际符合较好。     

风沙流中颗粒运动参数的分布特征

以风洞内颗粒高速摄影实验资料为基础，对颗粒跃移运动参数的分布及其跃移速度分布函数进行了探讨。研究结果表明，颗粒跃移的相对高度和相对长度的分布都不呈正态分布；降落角大致成正态分布，而起跃角则为非正态分布；颗粒起跃时水平速度，垂直速度和合速度的分布都呈非正态分布；随着跃移高度的增加，颗粒的平均粒径减小。速度分布函数是描述颗粒跃移统计特征的有效工具，具有修正指数形式或修正正态分布形式的概率密度分布函数都能较好地描述跃移颗粒的速度分布状况。     

引黄灌区总干渠挟沙能力时空变化及其影响因素研究

引黄灌区挟沙能力特性研究一直是泥沙研究的重要课题。以包头镫口扬水灌区总干渠为研究对象,分析了影响总干渠挟沙能力的因素。结果表明影响总干渠挟沙能力的主要因素是流量、悬沙中值粒径、来水含沙量。总干渠挟沙能力沿程变化规律是离泵站出水口越近挟沙能力越大;时间变化规律是春灌期挟沙能力小于其他三个灌水期的挟沙能力,秋灌期挟沙能力最大。总干渠挟沙能力在春灌初期小于来水含沙量;其他时段挟沙能力大于来水含沙量。     

床沙代表粒径与输移泥沙中值粒径的关系

本文分析了输移泥沙床沙质中值粒径D50i的变化规律和计算方法，指出由于水流的分选作用，输移泥沙的中径D50i一般较床沙中值粒径D50为细，且相对中值粒径D50i/D50随床沙标准方差σg的增大而减小。还分析了床沙非均匀性对输沙能力的影响，结果在相同的D50条件下，输沙能力随σg的增大而增大。此外，对采用D50i作为床沙代表粒径的输沙能力计算进行了探讨，结果可以大大提高输沙能力的计算精度。研究表明，用于非均匀沙输沙能力计算的床沙代表粒径，不应是一个固定不变的粒径，床沙代表粒径及相应的沙重百分数应随σg的增大而减小，Einstein等建议的D35仅在σg值为1．5左右才适用。     

床沙粒径及级配对非均匀沙起动的影响分析

对Wu W.等的荫暴系数计算方法进行了修正,根据滚动起动模型建立了以荫暴系数为主要参数的起动底流速公式,在此基础上理论探讨了暴露程度、床沙各分组泥沙粒径及其质量比对泥沙起动的影响,并论述了非均匀沙起动中完全暴露、完全荫蔽和极限跃移3种极限起动情况。结果表明:1非均匀沙起动底流速随着荫暴系数的增大而减小,荫暴系数越大,泥沙越容易起动;2在由两种粒径泥沙组成的非均匀沙中,粗颗粒的荫暴系数在定义域上均随着细颗粒床沙比例和粗细颗粒比例的增大而增大,即细颗粒比例越大,粗细颗粒间粒径差异越大,粗颗粒越容易起动;细颗粒的荫暴系数在定义域上随着细颗粒床沙比例的增大而增大、粗细颗粒比例的增大而减小,即细颗粒的比例愈大,细颗粒愈容易起动,且起动规律渐趋于和均匀沙的相仿,粗细颗粒粒径相差愈大,细颗粒受到的荫蔽作用愈显著,其起动流速也愈大。     

床面推移质颗粒跃移过程的水槽试验研究

推移质泥沙颗粒的跃移是河流泥沙运动的重要形式.为了研究推移质颗粒跃移运动参数的变化规律,在水槽试验中采用高速摄像技术,观测7种工况条件下,0.3～1.7 mm粒径的推移质颗粒的跃移运动形态,提取颗粒跃移运动的时空信息,分析了泥沙颗粒跃移距离和跃移高度的变化规律.结果 表明,相对跃移高度和相对跃移距离的概率密度分布函数均...     

关于底部浓度规律的研究

本文在对近底流区泥沙运动规律进行了深入的力学和统计分析的基础上，运用统计理论对底部浓度规律进行了理论分析，并和实测资料进行了验证，结果表明，理论公式与实测资料相符较好，底部浓度的研究对于推移质和悬移质泥沙运动规律的研究均具有重要的理论和实际意义。     

跃移泥沙颗粒起跳时间的特性分析

跃移是推移质泥沙颗粒运动的主要形式之一,跃移颗粒的运动特性是影响推移质输沙率的重要参数,但目前对跃移泥沙颗粒的起跳时间研究相对较少.本文利用高速摄影技术,对不同粒径泥沙起跳过程进行了系列的试验研究,后期采用RGB颜色映射函数获得灰度图,通过逐帧批处理获取颗粒的运动轨迹,直接得到了泥沙颗粒的起跳时间大小.试验结果表明,在...     

泥沙颗粒的扬动机理分析

本文从分析床面附近泥沙颗粒的运动特征出发，较细致地论述了沙粒在水流中从推移运动到扬起悬浮的物理过程，根据水槽试验的基本现象，讨论了过去一些理论中存在的问题和不足，概括了泥沙颗粒在水流中从床面扬起的基本模式，从二相流角度出发，分析了沙粒在水流中扬起的动力学机理。     

明渠自掺气水流掺气浓度分布研究

本文利用明渠水流垂向脉动流速正态分布假设，从水滴自由跃移及撞击分析出发导出跃移区水团浓度分布函数。同时，利用悬移区气泡扩散理论，修正界面外的应力关系，推求出悬区气泡浓度分布函。分布函数在界面处具有一阶连续导数，并由此可以求出界面浓度Ｃｒ。经与实验资料率定，给出了各参数的经验关系，并与室内试验实测浓度分布吻合良好。     

卷首语

正人才是科技事业发展的根本。中国水科院一直十分重视人才队伍建设,特别是"十三五"期间,实施人才强院战略,首次推行"五大人才"计划,即在全院实施创新领军人才和创新团队建设计划、三型人才培育计划(基础研究型、技术研发型、产品开发型)、新人助推计划、高层次人才引进计划、国际复合型人才培养计划。通过连续五年的稳定支持和人才分类评价,科研人员创新活力不断增强、优秀人才不断涌现,取得了丰硕的创新成果。     

地下厂房施工过程的三维非线性数值模拟分析

根据冗各电站地下厂房开挖支护的施工顺序,以隐式杆单元模拟锚杆,以壳单元模拟混凝土喷层,采用三维非线性有限元技术,对洞室群的开挖支护动态过程进行了模拟计算。通过三维非线性有限元计算分析得到:洞室群动态开挖过程中围岩应力变形的分布规律,围岩塑性区的发展规律,锚杆受力变化情况。计算结果表明:整个开挖过程中,洞周围岩位移变化规律正常,量值较小,塑性区主要分布在洞室周边,围岩稳定性较好;但在洞室交叉口处围岩的变形较大,出现较大范围的塑性区,在此基础上提出了支护措施优化方案,并对优化方案的效果进行了评价。