基于SFM方法的不同倾角桥墩绕流局部冲刷特性试验

桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果,桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系,是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展两种坡降条件下不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验,并沿下游方向设置四个模型倾角0°、5°、10°、15°。使用粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）测量桥墩绕流二维流场,并基于运动摄像恢复结构技术（Structure From Motion,SFM）实现冲刷地形三维重构,在此基础上分析床面冲刷三维地形结构和绕流流场特征,以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明：（1）SFM方法可实现冲刷地形三维结构重构,冲刷试验平衡时,模型前方和两侧冲刷坑较深,后方冲刷坑出现凸起,沿水流方向倾斜顺延上升至床面。（2）冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大,随倾角增大而减小。不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。（3）桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小,对展向流速影响范围随倾角增大而增大。（4）随模型倾角增加,旋转强度与剪切应力影响范围均减小。剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑,而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。     

不同人工植被分布条件下坡面水流动力学特性试验研究

基于一系列坡面流试验研究了人工植被条件下的坡面水流动力特性,即水深、流速、弗劳德数、雷诺数及阻力系数随不同植被分布条件、流量和坡度的变化规律。试验包括11°、13°、15°和18°等4种坡度,单宽流量为0.64-5.5L/s.m。试验结果表明,水动力学参数受植被分布影响显著,植被的阻水减速效果明显,阻力系数f随坡度以及弗劳德数增大而降低,阻力系数与雷诺数基本上呈幂函数负相关,随着坡度的增加,其相关性减弱。通过引入植被分布特征角及坡面水流参数,建立了植被坡面水流阻力达西系数计算方法。     

基于体型参数组合的Y型宽尾墩水力特性

水流经过宽尾墩后由于收缩挤射,产生三面掺气的大曲率水气交界面,流态异常复杂.利用数值模拟方法对Y型宽尾墩体型参数变化时的水力特性进行了分析研究.采用逐步收敛法比较分析12种不同体型宽尾墩泄流时的流态、水面线与流速分布、宽尾墩始折点处的佛汝德数及消能率等水力特性参数的变化规律.研究结果表明:随着宽尾墩收缩比增大,墩后水舌交汇点下部空腔增大,底流速整体上增大,佛汝德数增大,消能率略有降低;随着宽尾墩墩长增加,出闸水流的跌流趋势更加明显,流速增长加快,佛汝德数减小,消能率略有降低;随着上顶点与始折点高差增大,闸室内水面线升高且壅水效果更加明显,闸室内水流流速加大而消力池段流速反而减小,佛汝德数增大,消能率略有增加;随着始折点与上缩点高差增大,出闸水流纵向拉伸幅度降低,跌流趋势更加明显,佛汝德数增大,整体流速略微增大,消能率减小.     

“X”型宽尾墩在底流消能中的应用

针对低Fr底流消力池消能率低的问题,提出进口“X”型宽尾墩+底流消能的消能模式,即在消力池进口设置“X”型宽尾墩,以达到分散水流、增加消能率的目的。通过试验,观测该型消能方式的水流形态、水深沿程分布、时均及脉动压强等水力学参数。结果表明：水流形成了底流+纵向拉伸水流+挑射水流的入池方式,水流分散入池,充分利用了消能水体;水跃长度为跃后水深与跃前水深差的6.8~13.3倍;消力池底板时均压强变化平稳,脉动压强均方根为进口流速水体的0.03~0.18倍;与传统底流消力池相比,消能率提高了2~3倍。对于低Fr底流消能,进口“X”型宽尾墩+底流消能是一种值得推荐的消能方式。     

明流泄水道突扩突跌掺气设施空腔长度研究

为了查明短有压进口泄洪洞下游明流泄水道上突扩突跌掺气设施底、侧空腔长度随掺气坎尺寸和水流弗劳德数的变化规律,采用模型试验,测试了不同掺气坎尺寸在不同水流条件下的底、侧空腔长度,分析了无量纲底、侧空腔长度与掺气坎尺寸和水流弗劳德数的相互关系.结果表明:底空腔长度随着挑坎高度的增加、挑坎坡度的增大、侧扩宽度的增加和水流弗劳德数的增大而增大;侧空腔长度与挑坎高度、挑坎坡度关系不大,随着侧扩宽度的增加而增大,随水流弗劳德数的变化规律为:当侧扩宽度较大时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而线性增大;当侧扩宽度较小时,侧空腔长度随水流弗劳德数的增大而略微减小.     

高坡度大流量下水流自流动平面形态变化规律试验

通过5种不同坡度4级不同流量共440组水流自流动试验,发现在高坡度大流量外界条件胁迫下,水流为维持畅顺泄流和稳定形态,将在散乱漫流后自主选择稳定清晰的蜿蜒弯曲形态及水流流路,说明水流有着选择蜿蜒弯曲平面形态的天然倾向性.同时,试验结果表明,蜿蜒弯曲平面形态也是水流流动的极限稳定形态,当外界扰动超出该平面形态可承载极限时,原已建立的稳定形态和结构将发生溃散.另外,对水流自流动过程中的水流弯曲度、弯曲半径、曲率、水流展宽、流路变幅等的演变变化规律进行了统计分析和研究,对水流流路与正弦曲线的相似性进行了对比分析,并就水流自流动蜿蜒弯曲形态的相关特征参数与天然河流进行了比照和对比研究.     

折流坎对竖井旋流式消能工涡室水力特性影响的数值模拟研究

竖井旋流式消能工具有结构简单、布置灵活、无明显雾化以及消能率高等诸多优点,近年来被广泛应用于各种中小型水利工程.竖井旋流式消能工具能够顺利运行的主要因素就是下泄水体在涡室内能够达到既定的起旋效果.采用物理模型试验以及数值模拟的方法,通过改变引水道的引涡比数值,使得入涡水流环向速度明显增大,平稳通过竖井段下落至底部消力井内.通过对涡室水流的流态以及整体结构消能率进行数据分析,结果表明：引涡比数值的增大与流量的增加均会使进入到涡室中的水流贴壁效果增强以及环向绕流流速明显增加,下泄水体不会对消力井产生冲击破坏;过大的引涡比会严重影响整个竖井旋流式消能工的过流能力,当引涡比在0.547附近时涡室内的水流流态较好,既能够使竖井内的水流沿边壁螺旋平稳下落,还能够使得涡室内进口处不发生明显的壅水进而影响整体结构的泄流能力,并且在该体型下的综合消能率最高.     

挑角对淹没丁坝附近河床变形影响的试验

挑角对淹没丁坝和非淹没丁坝坝头附近床面冲淤变形的影响不同.目前的研究成果多集中于非淹没丁坝,涉及淹没丁坝的研究成果相对偏少.为了研究淹没丁坝附近床面冲淤变形对挑角的响应,对粗、细2组非均匀沙,45°、90°、135°3个挑角进行了交叉水槽试验.通过图像对冲刷坑形态进行了对比;将冲刷坑长度、宽度、最大深度、体积等特征参数试验成果进行了统计分析;将挑角对冲刷深度的影响折算成挑角因子,与前人的挑角因子及试验资料进行了对比.试验成果表明,挑角对淹没丁坝坝头附近床面冲刷坑形态、位置、尺寸均有影响,而床沙粒度则主要影响冲刷坑的尺寸.     

堰塞坝溃口下切过程试验研究

针对堰塞坝溃口下切过程和不同因素对过程影响的问题,开展室内水槽试验。结果表明:溃口下切过程分3个阶段:Ⅰ为溃口缓慢发展阶段,即水流缓慢溢出溃口阶段,侵蚀速率较小,泥沙输移主要以悬移质运动为主,溃口下切缓慢;Ⅱ为溃口迅速发展阶段,表现为溯源侵蚀强烈,溃口底部变化迅速,推移质运动占主导地位;Ⅲ为稳定河床形成阶段,水流速度和流深减小,水流携沙力减弱,河床形成粗化层,最终达到新的水沙平衡。溃口流量与侵蚀的关系表现为:来水流量的加大增加了相应时刻的溃决流量,增大了侵蚀率,缩短了溃决时间,溃口底部趋于平滑;来水流量的加大提高侵蚀率曲线斜率,使侵蚀率曲线向瘦高型发展;随背水坡坡度的增加,溃决流量增大,侵蚀率增加,坝体残留高度降低。另外,因背水坡坡度增加导致坡面土颗粒稳定性的降低可采用水槽坡度与背水坡坡度之和正切值的3次方这一因子反映。考虑堰塞坝材料性质差异性的溃决过程是下一步研究的重点。     

堰塞坝溃口下切过程实验研究

针对堰塞坝溃口下切过程和不同因素对过程影响的问题,开展了室内水槽实验。结果表明：溃口下切过程分3个阶段,Ⅰ为溃口缓慢发展阶段：为水流缓慢溢出溃口阶段,侵蚀速率较小,泥沙输移主要以悬移质运动为主,溃口下切缓慢;Ⅱ为溃口迅速发展阶段：表现为溯源侵蚀强烈,溃口底部变化迅速,推移质运动占主导地位;Ⅲ为稳定河床形成阶段：水流速度和流深减小,水流携沙力减弱,河床形成粗化层,最终达到新的水沙平衡。溃口流量与侵蚀的关系表现为：来水流量的加大增加了相应时刻的溃决流量,增大了侵蚀率,缩短了溃决时间,溃口底部趋于平滑。来水流量的加大提高侵蚀率曲线斜率,使侵蚀率曲线向瘦高型发展。随背水坡坡度的增加,溃决流量增大,侵蚀率增加,坝体残留高度降低。另外,因背水坡坡度增加导致坡面土颗粒稳定性的降低可采用水槽坡度与背水坡坡度之和的正切值的三次方这一因子反应。最后指出,考虑堰塞坝材料性质差异性的溃决过程是下一步研究的重点。