基于涡量-动量传递理论的天然河流流速与含沙量垂线分布公式

流速分布规律的研究是揭示水流流动特性的关键,含沙量分布规律的定量描述是研究悬移质运动的基础。鉴于同室内水槽试验资料相近的经典公式,同天然河流实测资料存在较大差距,本文在回顾前人研究成果的基础上,首先以涡量传递及动量传递理论为基础,对涡团模式建立的掺长积分取平均值后,求解恒定二维均匀紊流时均运动方程,得出了紊流流速垂线分布公式。然后,运用所得流速公式确定悬移质扩散系数,求解平衡情况下的扩散方程,得出了悬移质含沙量垂线分布公式。实测资料检验结果表明,本文建立的公式能较好描述天然河流流速及含沙量垂线分布规律,且克服了前人经典公式的理论缺陷。     

漫滩水流水沙运动规律的研究

本文根据漫滩水流的运动特点，将漫滩水流的复式断面分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等4个区，并给出了各区宽度的经验公式.根据滩槽交互区垂线流速分布的变化特点，提出了附加尾流函数的对数流速分布公式.在简化水流运动方程和泥沙扩散方程的基础上，对滩槽交互区内垂线平均流速及含沙量沿横向分布进行了理论分析，提出了反映滩槽水流动量交换强度的横向涡量粘性系数及横向扩散系数的表达式，得到了漫滩水流垂线平均流速及含沙量沿横向分布的解析解，并与实测资料吻合较好。     

浅析流速垂线分布与含沙量垂线分布的关系

根据流速垂线分布公式的结构不同,将流速垂线分布公式分为3类,并推导出3类流速公式对应的以垂线坐标为变量的含沙量垂线分布公式。理论研究表明,流速与含沙量的关系主要以流速梯度与含沙量梯度的关系为基础,基于该关系推导出与每类流速公式对应的以流速为变量的含沙量垂线分布公式,并分别讨论了3类流速分布对含沙量分布的影响,最终得到流速量级对含沙量量级的定量关系为指数倍的变化率。     

长江黄河垂线流速和含沙量分布规律

根据长江和黄河实测的流速、悬移质含沙量及其级配的垂线分布资料，分析了它们变化的规律性，检查了现有理论和经验公式与实测资料的符合程度，并对有关参数进行了探讨，分析表明：各垂线流速分布可以用指数流速分布公式和对数流速分布公式表示，各垂线含沙量分布既可用指数分布又可用对数流速分布导出的含沙量公式表示。相对水深η＝ｙ／ｈ＝０．４处的流速和含沙量及级配基本上都等于垂线平均值。从而可知，用η＝０．４处的流速和     

基于分形理论的流速及含沙量垂线分布规律研究

明渠水流的流速分布和含沙量垂线分布规律目前大多是利用现代流体力学的基本理论结合一些假设得到的近似解,因而寻求更具理论基础更能与实际相符的公式一直是学术界研究热点问题之一。本文利用分形理论中自相似分形的标度律,研究了流速垂线分布和含沙量垂线分布的局部与整体之间的自相似现象,从而得到了二维明渠垂线流速分布和含沙量分布的规律。结果表明,基于分形标度律可以得到指数流速分布公式、对数流速分布公式及其它形式的流速分布公式;同样,基于分形标度律也可以得到含沙量垂线分布的Laursen公式、Rouse公式及其它形式的含沙量分布公式。     

含沙量沿垂线分布的简算法

本文以指数流速分布公式为基础,推导出悬移质含沙量沿垂线分布扩散系数εy的计算公式,与各家泥沙扩散系数εy作了分析比较,并导出了含沙量沿垂线的分布公式,克服了Rouse公式在水面含沙量为零的缺点。结合西北特点提出黄土地区悬移质含沙量分布规律,引用黄河实测资料验证公式结构正确,计算方法简便。     

小浪底水库异重流垂线流速和含沙量分布研究

对小浪底水库异重流断面流速和含沙量垂线分布进行了研究,结果表明:异重流断面垂线最大流速点下的流速分布符合指数分布,最大流速点上部流速分布可按照高斯正态分布计算,含沙量垂线分布符合常数为最大含沙量的抛物线分布。据此结果导出了异重流垂线流速分布公式和含沙量垂线分布公式,可以较好地模拟小浪底水库异重流断面流速和含沙量的垂线变化规律。     

一种新的S型悬沙垂线分布研究

鉴于众多实验及实测结果中,最大含沙量常不在水体底部的现象,根据Coles非均匀流理论,对Van Rijn流速垂线分布公式进行改进,得到形式更加简单且能够表示最大流速不在水体表层的S型流速垂线分布公式,并以此为基础,推导出可以表示最大含沙量不在底层的S型悬沙垂线分布公式,结构上与王光谦的I型含沙量公式相似,但形式更为简单。采用实验数据及实测数据进行验证,结果表明,该含沙量垂线分布公式可以较好地反映实验及实测中最大含沙量不在水体底部的现象。     

基于悬移质泥沙分布理论的泥沙扬动流速公式

扬动流速是泥沙由间歇性滚动、滑动、跳跃运动转化为悬浮运动的临界流速,确定扬动流速对于预判沙质河床冲淤状态具有重要意义。在回顾前人研究成果的基础上,认为扬动流速概念适用的对象主要是非黏性沙质颗粒,它们的扬动状态同含沙量垂线分布图形存在的关系较为清晰,从而依据张红武及张罗号先后建立的含沙量垂线分布公式分别计算了不同悬浮指标下相对含沙量为0.85时的相对水深,得到一定水流条件下的颗粒悬浮高度拟合关系式,再通过假定泥沙扬动的临界状态为颗粒实际离开床面的运动高度已达相对水深0.03,即可得出泥沙扬动流速公式。通过与沙玉清和张罗号扬动流速公式的比较以及沙质河床实测水沙资料的检验,结果表明本文建立的泥沙扬动流速公式能较好地描述天然河流的泥沙扬动规律。     

挟沙水流中含沙量沿垂线的分布规律

本文在前人已有成就的基础上，采用笔者的挟水流流速公式求解扩散方程，得出了适用性强且与大量实例测资料符合的含沙量沿垂线分布公式。     

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.     

复式断面河槽流速横向分布及其对滩唇形成的影响

通过对水流微小控制体进行受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,该模型考虑了侧向副流惯性力的影响。采用实验资料对该模型进行检验,模型计算值与实测值符合较好。运用该模型计算了不同条件下复式断面流速和挟沙力的横向分布,并定量分析了横向分布特性对滩唇形成的影响。分析表明,水流漫滩时,复式断面的横向挟沙力变幅较大,尤其是在主槽和河漫滩交界处,挟沙力减小迅速,而含沙量减小相对较小,泥沙发生淤积,容易形成滩唇。单从水流挟沙力角度考虑,水流漫滩后水深越小、滩槽的糙率差越大,越容易形成滩唇。     

黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理(黄河下游河道存在巨大的输沙潜力)

利用黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料,结合高含沙水流流变特性分析得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同,均可用曼宁公式进行阻力计算;由于黄河泥沙组成较细,d50=0.03~0.10mm,随着含沙量的增加颗粒的沉速大幅度降低,泥沙在垂线上分布变得更加均匀,当含沙量大于200kg/m3以后发生改变;从泥沙存在对水流结构,流速在垂线上的分布特性上分析,含沙量200kg/m3左右时输送最困难,并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大,粗颗粒泥沙在河道中也能顺利输送,洪水期实测含沙量可达800~900kg/m3,表现出高含沙水流的高效输沙特性;黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为200kg/m3,在流量2 000~3 000m3/s时,高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流入海的主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。     

非恒定流清水冲刷输沙规律初步研究

通过波动水流及定常流量的清水冲刷水槽试验,对非恒定流输沙特性进行了研究。分析了洪峰过程中,涨、落水流速、比降、输沙率的变化特性及影响输沙率的主要因素;揭示了加速流和减速流的输沙滞后效应;提出了洪峰输沙量的估算方法以及与洪峰流量输沙等效的当量流量。对人造洪峰设计,河床变形分析计算以及河工模型设计等有一定参考意义。     

细颗粒悬沙浓度分布的影响因素分析

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程。对明渠二维恒定均匀流，利用垂向动量方程导出了修正的泥沙扩散方程，表明颗粒脉动强度梯度、升力、有效重力和紊动扩散都影响悬沙运动。理论和数值分析了细颗粒泥沙的密度、粒径、浓度，挟沙水流的水深和剪切流速等因素对泥沙扩散系数和浓度分布形状的影响，并定量分析了细颗粒试验资料，表明传统扩散方程在粒径、剪切流速相对较大、水深和水沙密度比较小的流动中存在较大误差，需要修正。     

进口速度和颗粒浓度对旋流器分离效率的影响

采用高浓度多相流混合模型并结合雷诺应力方程对水力旋流器内水沙两相流动进行数值模拟,主要探讨进口速度和颗粒浓度变化对水力旋流器分离效率的影响。模拟得到了水力旋流器在进口浓度保持不变的情况下,速度变化引起的颗粒分离效率变化的规律;在进口速度保持不变的情况下,浓度变化引起的颗粒分离效率变化的规律。所得结果对水力旋流器的设计和应用具有指导意义。     

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。     

水沙两相流中泥沙相的紊动扩散特征

为研究恒定流和往复流饱和输沙情况下的泥沙扩散系数的规律,此文根据水沙两相紊流理论建立一个适用于全沙输移的二维数学模型,并利用物理模型试验的结果验证数学模型的正确性。研究表明,恒定流中水面处给定紊动动能为0的条件和给定紊动动能梯度为0的条件时,扩散系数的分布形式有很大的不同,但两种条件下浓度沿水深的分布没有明显的差别。往复流中泥沙扩散系数在水深方向上受浓度分布和往复流边界层内紊动特征的影响,呈现出一种十分复杂的时空变化规律。     

泥石流输砂能耗及运动速度与阻力的计算方法

泥石流由于其固体浓度高，物质组成的粒径范围很宽、运动机理十分复杂，因而泥石流治理实际工作中急需解决的问题，如泥石流运动速度及阻力等的计算，迄今未能取得满意的结果。本文根据泥沙运动力学理论，分析泥石流中不同粒径固体运动形式及其消耗，从宏观的能量角度提出各类泥石流的运动速度与阻力计算的新途径，其结果可供实际工作者参考应用。     

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。