植草河床的垂线流速分布规律试验研究

为分析植草河床的流速垂线分布规律,本文采用室内物理模型和原体天然植物相结合的试验方法,选取东北地区河道滩地常见植被高羊茅,对3种不同流量、2种不同植物密度、3种不同植物高度,共21组工况进行试验分析.试验表明,含植物河床水流垂线流速分布大致呈倒"S"型,按照拐点的分布规律,将垂线流速沿水深分为3个区域,即植物淹没区、过渡区和植物淹没以上区.植物淹没区的垂线流速变化范围较小,过渡区的流速梯度很大,植物淹没以上区逐渐恢复对数分布规律.     

壅水条件下水流阻力试验研究

壅水条件下的水流阻力及输沙特性,在水利工程的应用中占有十分重要的位置。对壅水条件下河道开展概化水槽试验,采用声学多普勒测速仪ADV对水流流速进行了测量,并对壅水条件下水流阻力和床面切应力等进行了分析。结果表明壅水条件下,水流流速沿垂线分布较均匀流条件下更加均匀,当壅水程度越大时,水流流速沿垂线分布越均匀,且流速分布大致上仍服从对数率分布;壅水条件下,随着水深的增大,摩阻流速不断减小;壅水条件下河道水流阻力系数随着非均匀系数及水力半径的增大而增大;引入壅水程度指标,并拟合得到了床面切应力随壅水程度指标的变化关系式。成果可为壅水条件下水流结构特征及输沙规律的研究提供参考。     

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。     

含植物河流动力学实验研究-流速、摩阻流速及曼宁糙率系数垂线分布

根据实验室水生植物水槽中71个断面上的点流速及水深、流量和水生植物密度，分析了：1)流速垂线分布；2)相对摩阻流速的垂线分布；3)曼宁糙率系数的垂线分布规律及水生植物密度对它们的影响。结果表明：1)含植物河流中的流速垂线分布呈三区，从下至上分别为冠层区、过渡区和冠层以上区；2)相对摩阻流速垂线分布受水槽底边壁、植物和自由水面的影响．在三个区内各不相同；3)曼宁糙率系数的垂线分布呈倒“S”形。同时，本文归纳出含植物河流流速垂线分布经验公式．该公式可进一步运用到实际河流中。     

波浪作用下柔性植物带内流速分布特性研究

该文基于波浪水槽物理模型试验,研究了不同波浪条件下,最大水平流速的垂线流速分布特性。与无植物时的垂线流速对比,提出了水平流速衰减系数,分析了其特性。与无植物区相比,各断面在柔性植物的影响下垂线流速均有所减小;在柔性植物带内,上部冠层区的流速减小,植物带越长减小越显著;近底处的流速沿程先减小后增大再减小。随着来波波高的增大,各断面与无植物时的流速差缓慢增大,流速减小区域有下移的趋势。植物带中和植物带后的实测值与衰减理论值的流速衰减系数均沿水深向上变化规律基本一致,沿程变大,实测值的垂线分布趋于均匀且近底处的流速衰减系数增大更加明显。     

黄河下游滩区含植物水流运动及阻力试验研究

含植物水流运动规律是研究黄河下游滩区防洪的重要内容。通过开展水槽试验，测量不同水深、比降、含沙量条件下的流速分布，研究了黄河下游滩区代表性植物作用下的水流动力特性及阻力变化规律。研究结果表明，植物在非淹没情况下，纵向流速随相对水深增加，表现为先增后减；在淹没情况下，纵向流速沿垂向呈三区“S”形分布特性；相对紊动强度的沿垂线分布特点与纵向流速基本一致，但含沙量越大，水流纵向紊动强度越小。在相同比降条件下，植被糙率随佛汝德数的增加而减小；而佛汝德数一定时，植被糙率与比降成正比；相同比降条件下的植被糙率随含沙量的增加而减小。     

有植被河道的水力特性研究

利用三维超声波多普勒流速仪(ADV)量测有植被时水槽不同测点位置的瞬时流场。分析了测点位置和水深与植被高度比对时均流速分布的影响。试验结果表明植被层上下水流结构复杂,柔性植被的存在使垂线流速降低,所测得的流速分布在植被层顶部附近呈现“<”形状,在植被区域内部流速分布近似为“3”形。分析了植被区水流紊动强度和雷诺应力的垂线分布情况。水流紊动强度和雷诺应力在植被区域的上层相对较大,说明在该处发生着剧烈的质量和动量交换以及很强的剪切作用。     

淹没柔性植物对明渠推移质运动影响的实验研究

由于水流中植物的存在,使推移质泥沙运动规律变得更为复杂,目前,含植物水流中推移质泥沙运动的研究成果较少。实验研究了含淹没柔性植物水流中,不同植物密度及水深对时均流速、脉动强度、泥沙起动流速以及推移质输沙率的影响。结果表明,在植物顶部以下,有植物时的时均流速明显小于无植物时的流速,而脉动强度大于无植物时的脉动强度;当水深相同时,随着植物密度的增大,泥沙起动流速呈逐渐减小的趋势,并与植物密度呈较好的三次方多项式相关关系;植物密度对推移质输沙率的影响并非呈单一变化规律,随着植物密度的增大,推移质输沙率呈先增大然后逐渐减小的趋势,当植物密度相同时,水深越小,泥沙起动流速越小,推移质输沙率越大。     

连续弯道水流特性的试验研究

对正弦派生曲线生成的连续弯曲型河道开展试验,采用日本ACM2-RS型X-Y方向2轴电磁流速计对水流流速进行了测量,并对水流特性进行了分析。结果表明:连续弯曲河道纵向时均流速在弯顶处靠近凸岸处较大,而凹岸处较小,且沿河宽的分布沿程是变化发展的;弯顶水流纵向时均流速分布接近抛物线型,最大流速点位于上部水面以下,整体上大下小,而顺直过渡段水流纵向时均流速分布最大流速点位于底部,整体上小下大;连续弯曲河道水流阻力系数随着过水断面平均水深的增大而增大,随着过水断面宽深比的增大而减小。     

弱动力水流中粘性泥沙作用下水流流速沿垂线分布的试验研究

采用玻璃水槽试验的方法探讨了弱动力水流中粘性泥沙作用下水流在水流条件、含沙量及水质条件共同影响下,流速沿垂线的分布规律.结果表明:弱动力水流流速的垂线分布有其自身的特点,流量较大或含沙量较小时,都基本遵循对数分布规律;流量较小且含沙量足够大时,流速的垂线分布呈横向抛物线形,并出现明显的分层现象;此现象出现后,当含沙量较大、流量减小,或流量较小、含沙量增大时,流速极大值增加、位置向床面下移,流量较小、含沙量较大时,随着钙离子浓度的增加,流速极大值增大,且其位置更贴近床面.     

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.     

河道含淹没刚性植物二维涡量场特性

含植物水流的涡量场构成了水生动物生境的物理基础,形成水、物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没刚性植物二维垂直涡量场的分布,得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素。植物顶层附近对水流的干扰大,因而流速梯度大;涡量最大值出现在淹没刚性植物顶层以下约30%处;植物顶层处,涡量绝对值大,拟熵大,能量耗散率也高。植物顶层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

含柔性植被水槽水流特性试验研究

河道、水库、渠系、湖泊中的水生植被会对水流特性产生较大影响,从而影响泥沙输移、灌溉、排水及水环境等。为了研究柔性植被对水流的影响,在实验室水槽中,用塑料草代替水生柔性植被进行了系列实验,利用三维激光多普勒测速仪等仪器测量了植被区在不同工况下的水位、三维流速、植被的倾斜角度、湍流强度等,并研究了它们与植被疏密程度和流量大小的关系。结果表明:植被区水位、倾斜角随着植被疏密程度和流量大小的变化而发生变化;植被区的流速大小、湍流强度均大致呈规律性的几何形状分布。研究结果在水利工程及环境工程等领域具有较大的应用价值。     

Incipient motion of sediment in presence of submerged flexible vegetation

The presence of submerged vegetation on river beds can change the water flow structure and alter the state of sediment motion. In this study,the incipient motion of sediment in the presence of submerged flexible vegetation in open channels was investigated in a laboratory experiment.The vegetation was simulated with flexible rubber cylinders arranged in parallel arrays. The effect of the vegetation density, water depth, and sediment grain size on the incipient motion was investigated. The experimental results indicate that the incipient motion velocity of sediment increases as the vegetation density decreases and the water depth and sediment grain size increase. With flexible plants, the incipient motion velocity of sediment is lower than it is without vegetation, and is larger than it is with rigid vegetation. A general incipient motion velocity equation was derived, which can be applied to both flexible and rigid vegetation conditions.     

透空潜坝附近水流特性的数值模拟

透空式潜坝是一种兼顾生态和环境的新型整治建筑物。为深入了解透空潜坝附近水流特性,基于N-S方程和不可压缩气液两相流理论建立三维数值水槽,对梯形透空式潜坝附近水流特性进行数值模拟,研究了透空率、水深和流速对潜坝附近流场、紊动能和涡量等水流特性的影响规律。结果表明:相同水流条件下,随着透空率的增大,坝后回流流速减小,坝后根部紊动强度逐渐增大,而坝后1~4倍坝高范围内紊动强度逐渐减小,涡量先增大后减小。透空率不变情况下,在相同断面平均流速条件下随着水深增大,透水率逐渐减小,潜坝附近紊动强度整体减小,但紊动范围变化不大,坝顶强涡量区面积减小。在相同水深条件下随着断面平均流速增大,涡旋回流强度逐渐增大,潜坝附近高紊动区紊动强度整体也增大, 坝体顶侧和透水圆孔附近正负涡量间隔分布,强度逐渐增大。     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

流动环境中高浓度射流的三维数值模拟

应用流动环境中高浓度圆孔射流的三维RNG湍流模型,模拟计算不同水深和环境来流下的流态和浓度场分布,结果表明在已有射流区、冲击区以及异重流区的基础上,还存在1个上游入侵区。该上游入侵区的长度随环境流速的增大而减小,水深对其的影响相对较小。射流触底点位置随环境流速以及水深的增大而下移,触底点浓度则随环境流速以及水深的增大而减小。流态分析显示,壁面反射流形成动量较强的附壁射流时,会在较短距离内收缩和膨胀,紊动掺混剧烈,水深较浅时容易形成全水深掺混。比较而言,附壁射流较弱时无上游入侵,在射流孔口下游附近横断面上会形成较为特别的水滴状浓度等值线分布,在水体底部形成更为稳定的异重流。最后探讨了水体底面横向最大浓度沿流向的分布特征。