泄洪雾化降雨模型相似比尺分类研究

物理模型试验是研究泄洪雾化问题的主要方法,但泄洪雾化模型具有明显的缩尺效应。为了提高模型雨强换算精度,减小雾化模型缩尺效应的影响,基于安康、乌江渡、二滩、白山等水电站泄洪雾化雨强原、模型试验资料,按泄洪方式、消能工体型等对泄洪雾化降雨模型相似比尺进行分类研究,分析了不同分类方式下雨强比尺（Sr）转换关系中指数n（Sr=Lrn）与尺度比尺（Lr）和水流韦伯数（We）的关系。结果表明,泄洪雾化模型雨强与原型雨强的关系并非按同一比尺指数规律变化,指数n的取值与消能工体型、泄洪方式、尺度比尺和水流韦伯数等因素有关。无论表孔、中（深）孔还是泄洪洞泄洪,模型比尺和水流韦伯数越大,雾化模型缩尺效应越小,指数n的取值就越小。     

挑流水垫塘掺气比尺效应试验

为了研究泄洪消能缩尺模型中的掺气比尺效应,以提高模型预测精度,通过模型试验,对比分析1:50和1:100两个不同比尺模型上的挑流水舌形态及下游水垫塘内掺气量(体积分数,下同)分布。试验结果表明,在同样的孔口体型作用下,不同比尺模型水舌空中裂散程度有明显差异,1:100模型中水舌呈月牙形散落在水垫塘,1∶50模型水舌呈椭圆形散落在水垫塘;水舌入水形态的差异进一步导致水垫塘掺气量分布不同,1:100模型水舌入射区域掺气量相对较高,掺气量峰值约为50%,1:50模型上同样位置掺气量峰值约为40%;从水垫塘内掺气量空间分布来看,1:100模型水垫塘横向掺气范围相对较小,纵向掺气范围相对较大。     

大型水力机组中空化现象的比尺效应

大型水力机组中的空化比尺效应关系到真机的空化性能和水电站装机高程的确定．影响水力机组空化比尺效应的主要因素有：机组运行水头、转轮直径、液体中的空气含量以及流动介质本身的性质等等．本文在前人研究的基础上推导出真机与模型机之间的空化相似率，提出了水力机械模型试验台上空化试验应遵循的相似准则．以岩滩电站为例，根据其模型转轮的空化试验和流场理论分析结果推算了岩滩电站真机的空化特性．建议在确定大型水力机组，尤其是三峡机组的吸出高度时，较多的考虑初生空化系数的影响，取用较接近于真机实际的初生空化系数值，从水电站的设计和机组安装上保证转轮内良好的流态，避免空化引起的破坏．     

水质和空化比尺效应

本文提出了新的空化数和初生空化数的表达式,说明水体抗拉强度在空化中的作用,并且也指出,除抗拉强度外,水中气核半径及其数量也起着相当大的作用,从而可以解释在试验中即使同一个模型在不同的设备中以及不同的情况下可得差别很大的初生空化数。另外,对模型数据引伸到原型提出了一些具体建议。     

悬移质动床模型设计中的时间比尺和含沙量比尺

从悬沙动床模型设计的一般问题出发，就时间变态的产生及其对试验结果的影响进行了分析，得出了含沙量比尺偏离导致时间变态产生的结论。在分析现有含沙量比尺确定方法的基础上，提出了由水流运动相似和河床变形相似来控制含沙量分布相似，从而求解含沙量比尺消除时间变态的途径     

初生空化数比尺效应的修正

在初生空化位置写出了随流运动的球泡动力方程，估计了方程各项在空化初生时的近似值；以现有的实测资料为依据，选择了能识别的气核失稳的临界半径Rc的大小；给出了原型初生空化数与模型初生空化数的简单关系式；列出了碧口水库孔板洞4个不同比尺减压模型的实测初生空化数，这些模型初生空化数的值相差很大，但由这4个模型初生空化数和本文给出的换算关系得到的原型初生空化数很接近，这原型初生空化数与原型观测结果定性一致。     

悬移质动床模型设计中的时间比尺和含沙量比尺

从悬沙动床模型设计的一般问题出发，就时间变态的产生及其对试验结果的影响进行了分析，得出了含沙量比尺偏离导致时间变态产生的结论。在分析现有含沙量比尺确定方法的基础上，提出了由水流运动相似和河率变形相似来控制含沙量分布相似，从而求解含沙量比尺消除时间变态的途径。     

闸坝缩尺模型上的比尺效应研究

本文介绍了两座闸坝的缩尺模型试验室研究经验，提出了比尺效应并依据现场实测结果对其作出修正，由此得出，在流量小时很难达到低于10％的精确度。     

初生空化比尺效应的讨论和验证

讨论了在常规循环水洞或在减压箱中进行模型空化试验时,关于初生空化比尺效应的不同观点.指出了在减压箱空化试验中使用的相似律存在的缺陷.为了有效研究初生空化比尺效应,规范液体的抗拉强度为零是必要的.用最新试验成果-喷嘴的初生空化特性,再次验证了经验的初生空化比尺效应.     

挑流消能冲刷时间对冲刷深度影响的试验研究

通过大量的模型试验,对挑流冲刷坑形成的时间过程进行了研究,将冲刷坑随时间的发展变化趋势与前人的理论分析成果进行拟合优化,得出在某个特定时间内,冲刷深度与时间成幂函数关系。本文通过此试验,对研究冲坑演变规律有一定的意义。     

河道冲刷和清水水流河床冲刷率

在冲积河流里。水流条件变化如洪水、水库泄放清水、河道渠化等使挟沙力不饱和引起冲刷，称为河道冲刷。这与水工建筑造成的局部冲刷不同。河道冲刷深度主要决定于冲刷率和冲刷历时。本研究通过对各种泥沙大量实验，证明了河床冲刷率正比于水流提供的冲刷功率并依赖于泥沙粒径和容重，首次提出了冲刷率公式。经验证，该公式可以用于非恒定流输沙和河流洪水冲刷计算。     

Experimental investigation and flow analysis of clear-water scour around pier and abutment in proximity

Local scour around bridge piers and abutments is one of the most significant causes of bridge failure. Despite a plethora of studies on scour around individual bridge piers or abutments, few studies have focused on the joint impact of a pier and an abutment in proximity to one another on scour. This study conducted laboratory experiments and flow analyses to examine the interaction of piers and abutments and their effect on clear-water scour. The experiments were conducted in a rectangular laboratory flume. They included 18 main tests (with a combination of different types of piers and abutments) and five control tests (with individual piers or abutments). Three pier types (a rectangular pier with a rounded edge, a group of three cylindrical piers, and a single cylindrical pier) and two abutment types (a wing–wall abutment and a semi-circular abutment) were used. An acoustic Doppler velocimeter was used to measure the three-dimensional flow velocity for analyses of streamline, velocity magnitude, vertical velocity, and bed shear stress. The results showed that the velocity near the pier and abutment increased by up to 80%. The maximum scour depth around the abutment increased by up to 19%. In contrast, the maximum scour depth around the pier increased significantly by up to l71%. The presence of the pier in the vicinity of the abutment led to an increase in the scour hole volume by up to 87% relative to the case with a solitary abutment. Empirical equations were also derived to accurately estimate the maximum scour depth at the pier adjacent to the abutment.     

丁坝局部冲刷坑形态演变及冲刷平衡临界条件

丁坝局部冲刷坑垂向冲深、平面宽度及上下游边坡构成了冲刷坑几何形态的三维特征。局部冲刷达到平衡状态时,冲刷坑上下游边坡保持相对稳定的斜率。其与泥沙颗粒水下休止角大小及冲刷平衡临界条件的关系仍不太明确。一系列清水冲刷试验表明,不同来流强度条件下冲深与展宽速率存在非对称特征,坝体上下游边坡斜率随时间演变振荡衰减至相对稳定坡度。坝体上游坡度均较下游陡,比值近似常量为0.5。边坡斜率略小于泥沙颗粒水下休止角,比值下限近似为常量0.7。     

挑射水流对岩石河床冲刷的研究进展

高坝大流量坝身泄洪几乎全部采用挑流消能方式,分析了国内外关于挑射水流对岩石河床冲刷的各种理论,并对高拱坝挑流消能冲坑深度预测、基岩冲刷的模拟方法、岩石冲刷破坏机理研究等问题进行了综述.同时提出岩石河床冲刷研究的关键课题.     

掺气水流掺气浓度缩尺影响的估计

根据紊动扩散理论和相似理论导出了掺气水流试验的9个模型相似律。研究表明,若要求掺气水流的掺气浓度原、模型相似,并按重力相似律引伸,则掺气气泡的上浮速度应和水流流速一样满足重力相似律。在模型采用和原型相同的介质,即水和空气进行试验时,由于气泡上浮速度不相似,引起掺气浓度巨大的缩尺影响,本文首次对这种影响进行定量估计。研究表明,模型的比尺λL应足够大,以减小掺气浓度的缩尺影响。     

标准海塘前滩最深冲刷高程分析研究

在进行标准海塘工程初步设计时，通常需要分析在河段江道的不利冲刷高程值，给海塘整体滑稳定计算条件组合提供依据。目前人们缺乏较好的分析手段，通常借用水文统计方法加以解决。由于受到江道地形测量的时间、间隔次数及来水来沙等因素的影响，一般很给获得冲刷最深的地形资料，往往难以统计。但是，当年内测次较多，并有汛期的地形测次，则可以取年内几次测图中冲刷最深值作样本，进行统计分析。这处方法仅适用于江道冲淤只受水动力条件控制的情形，对于床底下卧抗冲能力极强的地层（如砂砾石层），江道的不利冲刷高程仅受地质条件控制。通过对钱塘江闻家堰河段水沙条件、河床地质构成、实测地形资料等综合分析，证明以上观点。     

桥墩振动对其局部冲刷的影响

为了探究桥墩振动对其局部冲刷的影响,以圆柱型桥墩为例,开展了不同泥沙底床条件下的振动桥墩局部冲刷水槽试验。结果表明,在振动载荷下,对于中值粒径分别为14.42μm、31.75μm和85.92μm的细颗粒底床,当振动强度从0增大至3.72,最大冲刷深度和最大冲刷半径均随之增大;中值粒径为14.42μm的泥沙底床最大冲刷深度增幅最大达910%,且粒径越大,增幅越小。对于中值粒径为260μm的粗颗粒底床,当振动强度从0增至2.31,最大冲刷深度降低了37.50%,而最大冲刷半径增加了38.37%。因此,桥墩的振动对其局部冲刷有着重要影响,且对细颗粒底床和粗颗粒底床的影响不同。桥墩振动导致有黏性的细颗粒泥沙发生流变从而加剧了其局部冲刷;而无黏性的粗颗粒泥沙受到振动作用而加密,其局部冲刷削弱。提出了考虑桥墩振动的局部冲刷深度计算公式,其理论计算值与实测值相对误差在±20%的数据达87.5%,能够为涉水桥梁基础埋深的设计提供更合理的计算依据。     

河床溯源冲刷影响下的桥墩冲刷

主要针对河床采沙所致的溯源冲刷对水下结构物周围冲刷影响的问题,研究冲刷演变及预测方法,为结构物安全防洪提供参考。通过水槽试验观测了床面突降条件下的溯源冲刷和墩柱局部冲刷耦合发展规律及其主要影响因素,建立了溯源与局部耦合冲刷的实时计算方法。溯源冲刷耦合下的局部冲刷与平床时的冲刷之比呈上凸曲线变化,与距离、流量及跌水水头差有关;局部冲刷和溯源冲刷对总冲刷深度的贡献比是墩柱与采沙坑距离、跌水水头差及流量的函数;在河床采沙的一定影响范围内,溯源冲刷到达时的瞬间冲刷速率远大于局部冲刷速率。本文的计算方法,可用于预测溯源与局部耦合冲刷时结构物总冲刷深度的发展。     

射流冲刷平衡深度研究

本文通过水槽实验和理论分析,研究了在水流速度低、泥沙易淤积的区域引入平面冲击射流对消除泥沙淤积的影响。实验观测了射流局部达到冲刷平衡时,最大冲刷深度随射流喷口高度、喷口宽度、喷口流速、横流流速及泥沙特性变化的规律。由泥沙起动理论和平面射流运动规律,建立了射流冲刷平衡深度计算式。用不同性质的泥沙和采用不同射流喷口宽度、不同喷口高度的射流冲刷实验资料对建立的计算公式进行了验证,计算结果与实验资料吻合良好。