泥石流流变特性的试验研究

为了研究泥石流体的流变特性，专门研制了一台环形锥板式流变仪，其特点是能保证切变率场分布均匀.用四种颗粒材料和不同粘度的液相试料配制成不同特性的试样进行了一系列试验，成功地测得了试样受剪时的切应力和法应力变化.试验表明，两相体内颗粒间的作用不只是惯性碰撞，还有接触支承、摩擦滑动等作用.颗粒切应力与法应力之比基本为常数，其值只随颗粒外表特征而异.随着浓度增大，应力曲线的屈服值益超显著.外形不规则颗粒的试样在低切变率区具有一个与高切变率区不同变化规律的初始段，出现应力随切变率减小而增大的逆向变化和更大的屈服值.这些现象对于研究泥石流运动机理有重要意义。     

泥石流体的结构模式和粗颗粒对泥浆体流变特性的影响

本文提出了把组成成分复杂的泥石流体划分成浆体介质和固体颗粒两大部分的结构模式,并提出了如何划分此两大部分的颗粒粒径界限的建议.然后,对浆体部分的流变特性进行了试验研究.从试验结果建立了描述浆体掺入粗颗粒后泥浆体流变参数变化的半经验关系.掺入颗粒后的新混合体的刚度系数可以表示为同时,绘制出了不同浓度下浆体屈服切应力的变化曲线.试验还发现.不仅是粒径小于0.005毫米的粘粒组成的泥浆体属宾汉型,有屈服切应力,而且大于0.005毫水的其它各级土粒组成的浆体,当浓度达到一定的数值后,也呈现有屈服切应力.这可能由于颗粒间直接接触相互摩擦的结果.     

管道输沙的阻力

本文通过一系列专门安排的试验,研究了管道水力输送中阻力损失的规律. 对于泥沙颗粒均匀分布的伪一相体,如果采用包含浑水流变特性的广义雷诺数Re_1与阻力系数λ建立关系,那么,伪一相体的λ～Re_1关系与清水的阻力关系相同. 对清水或细颗粒泥浆输送粗颗粒的两相流,只要粗颗粒泥沙全部处于悬浮状态(包括均匀悬浮和不均匀悬浮),其阻力规律与伪一相体的阻力关系一致. 粗颗粒泥沙作推移运动时,由于颗粒间以及颗粒与管壁之间的相互碰撞.引起附加阻力损失.本文找出了出现附加阻力的临界条件. 从以上概念出发.可以从理论上推导得出在两种不同条件下,两种典型的阻力曲线(即J～V曲线),并与实测资料取得了一致.由此可以推得水头损失与管径的1～1.5次方成反比(取决于粘性、流速等).从理论上解决了实验结果的比尺大问题. 人们所关心的高含沙水流的减阻作用只有在如下特定条件下发生,即:在存在推移质的两相流中,加入一定量的细颗粒泥沙,会使推移质数量减少,从而引起阻力的减小.     

胶结砂砾石坝坝料双屈服面弹塑性本构模型研究

【目的】为了准确预测不同胶结材料用量及围压下胶结砂砾石料的应力变形特征，【方法】采用理论推导与试验结果分析相结合的方法，在广义塑性位势理论框架下，依据胶结砂砾石料力学特性三轴试验结果，构建了新的剪切屈服函数和体积屈服函数。结合可反映硬化规律的塑性系数以及加卸载准则，建立了一个双屈服面本构模型，随后对比分析胶结材料用量20 kg/m³、60 kg/m³以及100 kg/m³的胶结砂砾石料三轴剪切试验数据及本构模型的计算值。【结果】研究结果表明，抛物线型剪切屈服函数与椭圆型体积屈服函数可很好地反映胶结砂砾石料的剪切变形与体积变形机制。【结论】新的本构模型充分考虑了胶结材料用量、围压对胶结砂砾石料塑性变形、峰值强度、剪胀性等特性的影响；模型参数共有12个确定简单且物理意义明确的参数；该双屈服面本构模型的应力应变预测值与相应的三轴试验数据基本吻合。     

明渠挟沙水流的颗粒相平均速度及速度滑移

基于颗粒相动理学模型所确立的颗粒相基本方程和本构关系，导出了明渠挟沙水流中固液两相平均速度差的表达式，表明相间速度差与两相的垂向脉动强度、脉动切应力、水下重力、剪切升力、颗粒弛豫时间等有关，与两相沿流向脉动强度无关。运用水流速度的窦国仁公式，计算了颗粒相速度的垂线分布，分析了相间速度差的垂线分布特性，结果与试验资料吻合很好。表明相间速度差呈现出水面小、水底大的分布形式；细小颗粒的速度差近似为零，粗重颗粒的速度差明显、在固壁附近存在明显的极大值。     

基于等幅周期荷载下软岩Bingham本构模型的研究

为建立一种描述等幅周期荷载下软岩应变特性的本构模型,将Bingham模型中的常值黏壶元件替换成与循环次数相关的变系数黏壶元件,常值弹性元件替换为随周期荷载循环次数的增大而衰减的非定值弹性元件,即可得到反映周期荷载下软岩各种应变规律的Bingham本构模型。当循环荷载应力上限值σmax大于岩石的临界强度σs时,模型为可反映软岩3个应变阶段的改进4参数Bingam模型;反之则为反映软岩前两个应变阶段的非常值2参数Hook模型。将周期荷载分解为一个定值荷载和一个平均应力值为零的周期荷载,基于流变力学理论给出了定值荷载作用下基于该模型的本构方程式,再根据黏弹性力学理论,给出了平均应力值为零的周期荷载下基于该模型的本构方程式,最后将已获得的本构方程式叠加即得到周期荷载下软岩本构方程式。结果表明:所建立的本构方程式可较好描述周期荷载下不同软岩各类应变特征,对各类软岩的应变曲线拟合的相关系数均在0.868以上,且同一种岩石模型中弹性元件系数初始值随周期荷载的动应力幅值的增大而减小,岩石加速应变速率参数随动应力幅值的增大而增大。     

非饱和重塑黄土应变控制等应力比试验三维离散元分析

黄土地区工程建设中有大量填方工程,填方工程中土体可能承受等应力比压缩荷载,为了研究非饱和重塑黄土在较高应力比下的宏微观力学性质,运用应变控制加载方式开展了不同应力比的非饱和黄土等应力比试验离散元数值分析.数值模拟中,考虑颗粒间转动和扭转抗力及范德华力并采用分层欠压法制备均匀松散黄土数值试样,引入粒间引力反映毛细力作用....     

半圆管惯性分离器气固两相流动数值模拟

采用数值方法对半圆管惯性分离器内的两相流动进行了模拟,连续相、颗粒相、颗粒轨迹计算分别采用雷诺应力模型(RSM)、离散相模型(DPM)和随机轨道模型。得到了该类分离器内的速度、压力、湍流强度、湍动能、耗散率等的分布情况．气流速度对颗粒轨迹、分离效率、阻力的影响,颗粒浓度与分离效率的关系,以及最佳颗粒浓度及磨损的大致区域。     

单轴压缩下水泥砂浆本构关系的试验研究

为探讨水泥砂浆材料在不同应变率条件下的本构关系，进行了水泥砂浆单轴压缩试验，试验分析得出，砂浆材料是率相关的，砂浆的初始损伤的演化发生在应变值达到0.7～0.9倍应力峰值对应的应变值之后。据此，在标准线性固体模型的基础上，考虑损伤内变量的演化，建立了应变率相关的水泥砂浆的非线性黏弹性损伤模型。通过数值计算表明，试验数据和本文本构方程的吻合较好。     

船闸输水初始流量增率和惯性水头计算

从船闸非恒定流基本方程出发，推导了两种常用阀门输水初始流量增率计算式和阀门全开后惯性水头的计算式，计算结果与试验值和数值计算值一致。     

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。     

从二相流方程出发研究平衡输沙—扩散理论和泥沙扩散系数的讨论

根据力平衡原理研究泥沙汲工的垂向分布，参照湍流混合气体运动中组元间作用力的本构式的构成，给出了湍流二相流相间阻力的本构式，并由此推导了充分发展的明渠流动中泥沙浓度的垂向分布。以本文给出的泥沙力平衡方程为基础，引入某些近似可推导出沿用至今的（泥沙运动的）扩散理论所给出的方程。     

水沙动力学适用牛顿流体的基本方程

通过改进蔡树棠两相流基本方程的相间阻力项,建立能够进行二维解析研究的水沙动力学基本方程.该研究给出沙相压力和沙相粘性切应力的学科定义,以及它们的本构关系.对于牛顿流体,当输沙稳定时,挟沙水流的能坡与清水并无差别.沙相压力的二阶导数不为零是泥沙扩散条件,也是凹岸冲、凸岸淤自然现象的力学本质.蔡树棠方程隐含着流体的粘性切应力按运动组成可以分解或叠加的物理性质.正是这个结构性特点,给了解答浑水粘性这个古老的力学难题的方法,使我们能够完整地推导出牛顿流体沙相运动学粘滞系数vs公式;推导并证明了浑水综合粘滞系数μm=εv+ svνs,而不是习惯使用的μm=v+svvs.探讨了影响vs值的一些复杂因素,如颗粒表面束缚水的影响.本文研究能够证明:对分散相应用连续介质原理不仅可行,且是遵从压力传递规律惟一的正确方法.而揭示粘性切应力的结构性,在多相流和流变学领域具有深远的意义.     

两相泥石流龙头的非恒定运动过程及能量特征

两相泥石流通常会出现高陡的龙头,其集中了大量的粗大卵石和砾石,呈现间歇性或波动性的运动。两相泥石流的运动除了取决于流体本身的流变特征外,液相和固相之间的能量传递也起到了重要作用,利用能量分析方法来研究两相泥石流固相、液相和龙头之间的能量转化机理是研究两相泥石流非恒定运动的有效途径。通过野外两相泥石流原型和水槽实验,研究其非恒定运动过程,结果表明,两相泥石流的龙头在泥石流起动初始阶段逐渐增长,当运动到一段距离后,趋于稳定。龙头高度和速度都有波动特征,通过能量分析建立了物理方程,分析证明两相泥石流龙头运动的平均速度正比于沟道的坡降和激发泥石流的洪水流量,反比于龙头的体积。     

基于固液两相流模型的泥石流流速垂向分布研究

泥石流流速的垂向分布是泥石流运动理论中的核心问题之一。以固液两相流模型为基础,分析了泥石流中两相速度相等与不等条件下的本构关系和泥石流流速垂向分布的计算方法;在二维恒定均匀流的条件下,考虑两相之间的相互作用,推导层流和紊流流态下泥石流中液相和固相速度的垂向分布公式,并采用不饱和水石流的试验数据进行了验证。结果表明:泥石流两相之间的速度差异是描述两相之间相互作用的根本所在;泥石流固相浓度与本构关系中的模化参数均有关联,是流速垂向分布计算中的重要参量;基于两相流模型的泥石流流速垂向分布公式比现有公式更具普遍意义,且其计算结果能与试验数据较好吻合。     

明渠挟沙水流的两相流模式

本文从两相流基本方程出发对明渠挟水流含沙量、流速垂线分布及近底层平均流动特性进行了理论研究，建立了一个新的泥沙扩散方程，并用大量资料进行了验证。结果表明：现有含沙量公式和流速垂线分布公式只是本文理论模式在低含沙量条件下的简化形式。当含沙量增加时，固相泥沙对流动结构的影响亦趋显著而不可忽略。精确模拟水沙流动，需要发展高级的两相湍流模式。     

两相非均质流输沙平衡关系及挟沙力研究

对非均质流挟沙力研究现状分析表明,目前悬移质水流挟沙力公式存在的问题:一是未能正确反映水流势能转化为动能过程中必须考虑的阻力因子;二是未能正确处理泥沙颗粒的非均匀性特点;三是未能正确计算悬液黏度对颗粒沉速的影响。本文基于大量室内平衡输沙试验及野外河渠准平衡输沙观测资料,建立了非均匀沙悬移质输沙平衡关系,得到了新的适用于各级含沙量的非均匀沙悬移质挟沙力公式。进而根据建立的输沙平衡关系,得到了挟沙水流的不淤流速及阻力坡降关系,可用于河道治理及渠系设计。     

Single-phase and two-phase flows through helical rectangular channels in single screw expander prototype简

The CFD simulations are carried out for the flows in a horizontally oriented helical pipe with various inlet sectional liquid holdups and coil pitches （ H ） . The development of the pressure fields for the single phase air flow and the air-water two-phase flow through the helical rectangular channels is studied. The points with a higher pressure often become the position of expansion leakage. The liquid phase distribution at these points can prevent the leakage of air. It is shown that the increase of the inlet sectional liquid holdup may increase the local liquid holdup at the outmost side of the helical channel. Based on the published pressure drop correla-tion, a new modified relation for predicting the pressure drop in the helical rectangle channel is proposed.     

颗粒浓度分布的探讨

针对颗粒浓度在两相流动中的重要性，建立了颗粒体积浓度方程，阐述了颗粒浓度在求解过程中的特点及颗粒体积浓度方程在计算方法中的贯穿。计算了沙层上及直管中的两相流的流动，发现了颗粒浓度两种截然不同的分布，并对此进行了分析。