密排粗糙床面明渠水流的紊动特性

为揭示密排粗糙床面对明渠水流紊动参数的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了加糙后紊动强度、雷诺应力和紊动能等参数的变化特征。结果表明:床面粗糙对紊动参数的影响主要体现在内区,而外区紊动参数的变化相对较小。加糙后纵向和垂向紊动强度相对值u’⁺、v’⁺在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re_*越大,v’⁺越大,而u’⁺越小;床面粗糙对内区水流有抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用;床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向。加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。不同工况紊动能相对值E⁺在内区差异明显,随着相对水深η的增大,E⁺差异逐渐减小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大,内、外区紊动能变化与床...     

含非淹没植物明渠糙率系数及非均匀流水力特性

根据水力学对明渠水流流动类型的划分,提出按均匀流和非均匀流分别进行研究的新思路。通过对植物段上游水流和植物段水流的研究,得到种植植物后植物段上游形成M1型非均匀流,植物段基本形成M2型非均匀流,其相对水深随排列密度增大而增大,种植物前非均匀流水深越小,种植物后水深变化越大,植物段的相对糙率系数和相对水力坡度均随植物排列密度增加而增大,且植物横向加密比纵向加密糙率系数增加的快,阻水效果更明显等结论。更多还原     

河流床面粗糙程度的度量方法研究

【目的】河流床面的粗糙程度是河流动力学中重要的研究内容。【方法】用统计分析法来量化河流床面的粗糙程度,在不考虑河床宏观起伏的前提下,用非均匀天然沙人工铺制初始粗糙床面,并逐渐增大流量使床面粗化,粗化完成后依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程。基于统计理论探究在不同来水条件下,粗化后河流床面表层的结构特性并利用床面高程统计参数及变异函数满足的理论模型建立新的床面粗糙程度度量方法。【结果】结果显示：曼宁糙率n与中值粒径的拟合关系一般,相关系数为0.649。n与标准差、众数及偏度拟合关系良好,与峰度拟合关系相对较差。n与三种变异函数球状模型典型参数都呈现出较好的相关性,剖面平均变异函数块金值与基台值和n的拟合关系优秀,相关系数均在0.89以上。【结论】结果表明：代表粒径法在某些时刻是可以用于表述床面粗糙特性的,高程数据的标准差随水流强度的增加而严格增大的特性和其众数随水流结构的增大而严格减小的特性使它们成为量化床面粗糙程度的优良指标。偏度和峰度的单调趋势使其作为床面粗糙程度的衡量指标也成为可能。块金值与基台值可以作为床面粗糙程度的表征指标。此次研究用统计法探讨了度量河流床面粗糙程度的方...     

关于影响曼宁粗糙系数n值的水力因素探讨

明渠均匀流计算中,曼宁粗糙系数n值的变化规律问题长期以来就是水力学中的一个重要问题。尽管许多研究者从理论和实验等方面做了许多工作,但至今仍未能得到满意的解答。本文分析了影响n值的各种因素,并利用因次分析方法找出了它们之间的准数关系;又进一步利用实测数据整理分析得出了n和各水力要素之间的函数表达式。结果表明:佛汝德数Fr和平均水深与水力半径的比值h/R对n值的变化起着决定性的作用。     

光滑壁面明渠陡坡流速分布特性

在分析激光测速试验资料基础上,对比了光滑壁面明渠陡坡中均匀流和非均匀流垂向流速分布在不同水力条件下的规律。陡坡均匀流中κ值比非均匀流条件下为小,非均匀流中S2型非均匀流的黏性底层厚度和过渡层范围均小于S1型非均匀流,并且拟合出适合陡坡均匀流和非均匀流的统一流速分布公式。     

不同边壁条件下矩形明渠水力特性实验研究

为了研究明渠水流水力特性变化规律,在室内实验的基础上,采用矩形明渠变坡水槽,通过改变边壁条件、坡度和流量进行实验,得到了较好的实验数据。实验结果表明:边壁条件和坡度相同的情况下,随着流量的增加,水深呈线性增加,平均流速和雷诺数呈现幂函数增大;当Fr1时,弗劳德数随着流量的增加而增加;当1Fr1.526时,弗劳德数随着流量的增加先增加而后减小;当Fr1.526时,弗劳德数随着流量的增加而减小;曼宁糙率系数随着流量的增加呈对数减小趋势。边壁条件和流量相同的情况下,随着坡度的增大,水深呈减小趋势,平均流速、雷诺数、弗劳德数和曼宁糙率系数均呈现增加的趋势。并由实验数据得出了雷诺数与坡度和流量关系的经验公式。     

水力光滑明渠流流速分布的新公式

采用一个新的湍流黏性模型研究水力光滑明渠流的流速分布,得到的结果与以往在明渠中所测的实验数据吻合较好。基于这个湍流黏性模型,推导出一个新的光滑明渠流外部区域的流速亏损规律,该表达式可以推广到内部区域,并提出一种新的确定内部区域流速分布的近似方法。运用本文给出的公式计算结果与由多普勒激光流速计所测的实验数据吻合良好。在只给出平均流速和水深的情况下,根据本文给出的公式可求得内外区域流速分布。     

光滑壁面明渠负坡流速分布特性

在分析激光测速试验资料基础上,通过与正坡上流速分布特性比较,发现负坡垂线流速分布中Karman常数相对正坡为小,负坡上的非均匀流粘性底层范围和厚度均大于正坡上的非均匀流粘性底层范围和厚度等;并在试验基础上提出了统一的垂线流速分布公式。研究成果为进一步研究负坡水流水力特性提供了参考。     

梅花形阵列粗糙床面明渠紊流特性

梅花形阵列粗糙是常见的床面粗糙形态,但其水流紊动特性参数在颗粒间的沿程变化和不同象限间的分布差异等研究仍较薄弱。采用不同颗粒大小和排列间距的圆形玻璃珠制作了3种梅花形阵列粗糙床面,基于明渠紊流的PIV水槽试验资料,探讨了无量纲纵向紊动强度T_u、雷诺应力R和紊动能E的分布规律。结果表明:① 颗粒顶部以上区域的T_u、R、E沿程基本呈条带状变化,受颗粒影响较小,而颗粒顶部以下区域则受颗粒影响明显,沿程变化相对复杂,表现出一定的周期性和分区性,并可分为颗粒区和粒间区。② 颗粒顶部以上区域T_u、R、E的垂线分布基本重合,颗粒顶部以下区域则波动明显,分布曲线呈“S”和倒“L”等形状。③ 粒间区各象限的R、E沿程变化较为平缓,接近水平线,第2、4象限的R、E总体大于第1、3象限;颗粒区各象限的R、E沿程分布呈“∪”状并在沿程位置参数x+ = 0附近有最小值。研究成果对鱼道及航道工程设计等具有一定的指导意义。     

鱼鳞状床面粗糙特性

为探讨颗粒排列的空间趋向对床面结构的影响,人工铺制了12组鱼鳞状床面,依托激光扫描技术获得其精确数字高程,基于统计学理论与分形理论对所铺床面的粗糙特性进行分析。结果发现：鱼鳞状床面相对高程频率分布具有负偏双峰特征,主峰近似正态且较为“高大”,次峰却极为“矮小”;卵石粒径增大,各床面高程变异函数的基台值与变程均增大;床面高程方差与变异函数基台值在量化鱼鳞状床面粗糙特性方面是基本等价的;卵石粒径越大,床面高程方差越大,变异函数基台值越大,床面越粗糙,反之亦然;鱼鳞状床面二维特征方向无标度区上限随卵石粒径的增大而单调增大,其值可近似取为0.5d₅₀(d₅₀为中值粒径),然而同一床面各二维特征方向上的无标度区上限是大致相同的;就同一二维特征方向而言,随着卵石粒径的增大,床面分形维数基本减小,床面结构复杂性减弱;鱼鳞状床面粗糙特性具有明显的方向性,尤其是在与水流方向的角度成0、π/4与π/2的3个方向上,其粗糙特性明显不同。     

人工加糙对明渠紊动特性影响的试验研究

利用激光测速仪,对光滑壁面及人工加糙的明渠紊流进行了试验,测量了光滑壁面、水力过渡面、水力粗糙面不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速及脉动流速。通过实测资料分析了人工加糙对明渠紊流紊动强度的影响,得到了光滑面、过渡面及粗糙面紊动强度的发展变化规律。     

含植物明渠紊流流速分布无量纲化方法及流动分区

基于流速分布曲线的几何特点,提出一种新的无量纲化方法,结合水槽实验数据的回归分析,对含植物明渠紊流流速分布律及流动分区进行了研究。基于流速梯度变化率的特点,确定两个特征高度,采用特征高度、特征高度位置处的流速、水深、最大流速4个变量定义了新的无量纲流速和高度,对实验得到的流速数据进行无量纲化处理,进一步拟合得到流速分布律。结果表明,提出的无量纲流速在自由水面附近呈对数分布,对数分布律区域以下到床面的区域可用4段函数表示。根据分布律适用的区域明确流动分区边界,发现边界高度与特征高度并不重合,但和混合层的上下边界近似相等。与其他研究的对比表明,提出的无量纲化方法和流速分段函数分布律以及流动分区对速度描述有效,具有较好的适用性。     

明渠均匀流的摩阻流速及流速分布

在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法（雷诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等）的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：（1）利用阻力平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；（2）包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的Karman常数；（3）现有大量明渠均匀流实测资料中，用常用的Karman常数（x=0．4）时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。     

含柔性沉水植物明渠水流运动特性试验研究

采用激光多普勒流速仪(LDV)试验研究含柔性沉水植物的水流运动。试验结果表明:流速沿垂线分布呈S形,分为3个区域,即植物内部区、过渡区和上部区。植物密度对过渡区内流速影响显著,在该区内,植物密度越大则流速梯度越大。含植物水流的紊动强度和雷诺应力都明显增大,它们在垂线分布上有相似之处,都是在植物顶层的位置上达到最大值,说明在此区域内存在较强的能量交换和剪切作用;二者在植物顶层上部区域随着水深的增加而减小,在植物内部区随着水深的增加而增大。     

Effect of bed roughness on grain-size distribution in an open channel flow

Grain-size distributions of suspended load were studied in a laboratory flume over five sediment beds having different values of bed roughness at three different flow velocities. The experiments had been performed to investigate the influence of bed roughness, flow velocity and suspension height on the grain-size distribution in suspension. This study focuses on the determination of the proportionality parameter β_n in suspension which is the ratio of sediment diffusion coefficient to the momentum diffusion coefficient of the nth grain-size class. An empirical equation for β_n has been proposed which is valid for a wide range of normalizing settling velocity of sediment particles and bed roughness. Also, the bed roughness effect is studied on the parameter β for total concentration in suspension and on the reference concentration, which is very important in suspension studies. The Rouse equation with modified β_n and β was surveyed to know the grain-size distribution and total concentration in suspension that agreed well when compared with the experimental data.     

Investigating the turbulent flow characteristics in an open channel with staggered vegetation patches

In the present study, flow around circular and staggered vegetation patches was investigated numerically. For turbulence modelling, the Reynolds‐averaged Navier–Stokes technique and Reynolds stress model were adopted. The numerical model was validated with the experimental data using varying vegetation density and flow velocities. The simulated results of mean stream‐wise velocities were in close agreement with the experimental results. The results show that the mean stream‐wise velocity in the downstream regions of vegetation patches were reduced, whereas the velocity in the free stream regions were increased. The influence of neighbouring and staggered vegetation patches on the flow was observed. The vegetation patches with larger nondimensional flow blockage (aD = 2.3, where a is the frontal area per volume of patches, and D is the diameter of vegetation patches) offered more turbulence when compared to the patches with a smaller flow blockage (aD = 1.2). Larger turbulence in the form of kinetic energy and turbulent intensity was recorded within the vegetation as well as the regions directly behind the patches. Negative Reynolds stresses were observed at the top of submerged vegetation. The turbulence characteristics peaked at the top of vegetation, that is, z/h = 1.0 (where z is the flow depth, and h is the vegetation height), which may be migrated vertically as the frontal area of the vegetation patch is increased. This high frontal area also increased stream‐wise velocity above the vegetation, leading to an increased variation in turbulence around the vegetation canopy.     

明渠试验加糙方法研究

在明渠水流试验中,经常需要进行不同糙率的研究.本文提出了一种采用绳索加糙的试验方法,并进行了各种水流条件和加糙绳距的试验.试验结果表明,加糙绳距对阻力系数的影响明显,绳距和流量越小,影响程度越大,随流量和绳距的加大,其作用逐渐减弱.加糙绳索的当量粗糙高度与绳距有关,各种试验条件的阻力系数与Rη遵循式(7)的变化规律.采用绳索加糙调整床面阻力的方法操作简单,调整灵活,变化范围大,为明渠阻力的试验研究提供了一种简便易行的方法.     

用流场分析法计算明渠流量

流场分析法不仅可给出明渠的流量，还可给出明渠横断面上的流速分布。较总流量分析法，仅能给出明渠断面平均流速有所改进。     

高帧频明渠紊流粒子图像测速系统的研制与应用

研制了一套明渠紊流二维水槽试验系统,并开发了图像采集和数据处理软件,该系统测量频率高,局部图像最高频帧可达800Hz.应用于试验水槽水流的测量结果得出雷诺应力在距床面0.1h(水深)以上沿深度呈线性分布,纵向时均流速垂线分布在y =30以上基本符合对数律,纵向紊动强度在y =50以上基本符合指数分布,与现有的研究成果吻合,证实了系统的可靠性.