有限长淹没植被对水动力特性影响研究

水流流经二维淹没植被主要阶段可分为:上游调整阶段、初始调整阶段、混合层发展阶段、边界层发展阶段和出流区阶段。当植被长度有限,远小于水流充分发展所需的植被长度时,植被对水动力特性影响的重点区域转移到植被下游。因此有必要对有限长淹没植被对水动力特性的影响进行探讨。本文基于试验数据分析了有限长淹没植被对流速、紊动强度和雷诺应力的影响,利用植被层平均流速发展模型对植被出流流速进行了估算,同时利用剪切层线性发展理论对植被下游流速恢复长度LR进行了分析。结果发现,相同长度时,较密植被对应的流速恢复长度较小,下游雷诺应力和紊动能的最大值较大。最大雷诺应力位置Lm与流速恢复长度LR基本相等。相同密度时,较长植被对应的流速恢复长度较小,下游紊动能和雷诺应力最大值较大。最后,利用有限长淹没植被的水动力学特性研究成果对防护林设计进行了探讨分析。     

三峡水库库区上段水流特性分析

三峡水库的蓄水运用,使其河道型库区内水流有了明显的壅水型非均匀流特征,其流态的改变显著影响着泥沙输移和洪水传播特性。采取专门实测资料,分析库区上段的三维流速及紊动强度沿垂线的分布特征。结果表明:三峡水库上段纵向流速沿垂线分布基本符合对数流速分布公式,横向流速分布受地形影响较大,垂向流速明显,且方向一般向下;沿程各断面纵向、横向及垂向水流相对紊动强度分布比较均匀,尤其是垂向水流紊动强度沿程随着壅水程度的增大有增大的趋势。壅水型非均匀流在垂向流速及垂向紊动强度的分布特点,将给库区泥沙运动、尤其是悬移质含沙量沿垂线分布带来明显影响。     

弯道对植被群河道水流结构影响的试验研究北大核心CSCD

为了解弯道对含植被群河道水流结构的影响,本文在180°U型弯道水槽中进行试验,采用圆形竹筷模拟低密度植被群,圆柱体模拟高密度植被群,运用声学多普勒流速仪测量三维流速,不同密度植被群放置于水槽相同位置,对比分析弯道的影响。试验结果发现,植被群上游调整长度及其稳定尾流区长度受弯道影响发生了明显调整,植被群密度的影响仅作用于植被群尾流结构,包括其中垂向湍动能的差异。植被群后出现植被群直径尺度的涡,使纵向湍动能分布出现波峰,峰值大小受弯道影响;植被群在弯道中所处位置越后,峰值越小。湍流谱分析中验证了此现象,并发现弯道作用使得植被群后小尺度涡增多,从而使得植被群后较小湍动能峰值的大小不随植被群放置位置改变。     

三角孔多孔板下游空化流场的PIV剖析

采用粒子图像测速仪(PIV)对不同类型的三角形孔口多孔板下游空化流场的流动特性进行了量测,分析了孔口大小(边长a=2.6 mm,4.0 mm,5.1 mm和6.7 mm)、孔口数量(n=9,16,25和64)和孔口排列(棋盘式和交错式)对多孔板下游时均流速、紊动强度及紊动切应力分布的影响。结果表明,多孔板下游的时均流速、紊动强度及紊动切应力呈现不同程度的锯齿状分布,适当地缩小孔口、增加孔口数量,并将孔口布置为交错式排列有利于多孔板下游水流的掺混、紊动和剪切作用;在试验设计的不同规格三角形孔口多孔板中,孔口边长a=4.0 mm、孔口数量n=25且孔口为交错式排列的多孔板下游空化流场的流速梯度最大、紊动剪切作用最为剧烈。     

斜向射流入水垫塘淹没射流区的紊动特性

采用粒子成像测速技术(PIV),获得了水垫塘冲击射流全域瞬时精细流场,在此基础上,对淹没射流区的流速分布规律和水流紊动特征进行了系统研究。结果表明:淹没射流区射流横向断面的流速、紊动强度分布呈自相似分布规律;在射流纵向,射流轴线最大流速随着流程增加而呈-1次幂规律减小,射流半扩展宽度和紊动强度则随流程增加而线性增大;并提出了描述淹没射流区射流横向断面流速、紊动强度分布规律的方程,同时得到淹没射流区射流纵向上流速、半扩展宽度和紊动强度沿流程变化的计算公式。     

进/出水口出流扩散脉动流速规律试验研究

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态,拦污栅断面脉动流速很大,可能危及拦污栅安全,其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置,利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大,流速脉动值可达时均值的1.8倍,平均紊动强度为0.724,该断面流速脉动呈现出明显的正态性,其概率密度分布基本服从正态分布;水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中,紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律,水流在输水隧洞段脉动流速小,在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大,脉动流速值接近时均值,甚至大于时均值,进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。     

前后串列布置的吸水管周围流场PIV实验研究

水泵进水池中沿来流方向前后串列布置多根吸水管时,其周围流场具有复杂的三维、不稳定、强紊动的特性.本文在玻璃水槽内对不同管间距条件下的吸水管周围进行了大量的PIV流场量测实验,通过流场分析显示,上游吸水管的尾流作用加剧了下游吸水口的水流紊动强度,流场多处出现表面旋涡和水内旋涡,其运动形态复杂多变.同时,随着吸水管设置间距的缩短,吸水口附近流速分布趋于不均匀,旋涡涡量逐渐增强.     

鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场的三维数值模拟

本文采用κ-ε双方程紊流模型，针对复杂曲线自由水面和边界条件，分别引入适用于分层两相流的流体体积分数（VOF）模型求解曲线自由水面和非结构网格来划分三维计算区域，成功地对鱼背山水库岸边阶梯溢洪道流场进行了三维紊流数值模拟，得到了溢洪道沿程的自由水面位置，速度大小而分布，阶梯面上的压力，流场的紊动动能和紊动耗散率分布等重要流场特性，尤其是各种特性参数沿溢洪道宽度方向的变化和分布，利用上、下游的水深和流速计算了阶梯溢洪道的消能率，对阶梯溢洪道的紊流数值模拟研究做了一些开拓性工作。     

堆积体对近床面水流紊动强度试验研究

采用声学多普勒流速仪ADV对概化水槽中受堆积体影响河道的流速进行了精细的测量,并将数据代入无量纲化的紊动强度计算公式来分析流量、河道缩窄率、堆积体侧向坡度对河道近床面紊动强度分布的影响。试验结果表明：以堆积体对称轴断面为起点,在下游相对距离0 ~ 1.5断面处,由于堆积体对水流的束窄和突扩作用导致出现水跃,紊动强度波动较大形成强紊动区,且随阻流作用的增加而增加;在相对距离1.5 ~ 4.5断面,由于水流持续扩散导致紊动强度衰减,但左岸受回流影响紊动强度衰减较缓,因此左岸变化率小于右岸,且变化率随阻流作用的增加而增加;在相对距离4.5 ~ 6.5断面,紊动强度逐渐恢复平稳状态且大于相对距离-4.5 ~ 0断面。试验结论揭示了河道中的水流紊动特性及堆积体对河道水流紊动影响的内在机理,加深了对堆积体作用下的水流运动、泥沙冲淤和输移规律及河床演变发展变化的认识,可为研究山区河流受堆积体影响的河道水流紊动特性的数值模拟提供验证资料。     

螳螂川蓝藻藻细胞密度和物种丰度的空间变化

受湖泊优势藻属的影响,富营养化湖泊下游河流的藻类方面呈现出独特的分布特征和沿程变化规律。本文以滇池出口河流螳螂川为研究对象,采用藻类分类学和统计分析方法,分析滇池出口处及下游螳螂川沿程的蓝藻物种组成特征,揭示影响蓝藻藻细胞密度/物种丰度变化的理化因子。分析结果表明:螳螂川的优势藻属为微囊藻属,细胞密度在蓝藻总藻细胞密度中所占的比例为79.77%~97.09%;蓝藻藻细胞密度沿程呈指数减少,与河段长度和水力停留时间呈显著负相关关系,与水温、流速、总磷和总氮之间没有显著相关性。蓝藻物种丰度与水温呈极显著正相关(P0.01,R=0.78**)关系,与流速呈显著负相关(P0.05,R=-0.70*)关系。上述相关关系说明螳螂川中较强的水动力条件是导致蓝藻藻细胞密度沿程减少的主要原因。     

含淹没刚性植被明渠水流特性的试验研究

水生刚性淹没植被大量存在于海洋、河流、水库、湖泊及运河中,对水流结构、河床冲淤、洪水演进及航运造成较大影响。为了准确掌握水生刚性淹没植被对水流的影响,需要对含植被水流问题进行系统的研究。本文利用三维激光多普勒测速仪等仪器对实验室水槽中四种排列（全覆盖平行排列、全覆盖交错排列、半覆盖平行排列、半覆盖交错排列）、四种淹没度下水生刚性淹没植被（用玻璃棒代替）的扰流特性进行了测量,并对实测结果进行了系列分析。试验结果表明,植被的密度、排列方式和淹没度对水面坡降、水头损失、水流流速和紊流强度都有明显的影响。     

基于风资源评估的风电机组设计风速分析

以新疆某风区的地形、风资源情况为研究对象,分析其历史风资源基础数据。通过计算、分析风能密度、风向频率及风能密度的方向分布、风速年变化、湍流强度、年发电量等主要参数,优化和确定有利于该地区的风力机设计风速和功率。通过例证分析了尾流的影响,指出进行风力发电机组选型和配置时应注意的问题。     

偏流条件下潮流能水轮机的熵产特性评估北大核心CSCD

部署在开阔水域的潮流能水平轴水轮机经常不可避免处于偏流中并造成一定的负面影响,为了研究其在偏流条件下的熵产及水力特点,通过求解雷诺平均(RANS)方程并结合熵产理论对一水平轴潮流能水轮机进行了三维数值模拟研究。结果表明,随着偏流角的增大,涡轮机的输出功率及推力逐渐减小,最高点所对应的尖速比(TSR)逐渐向低位移动,同时输出功率及推力的波动幅度变大。在相同的偏流角下,熵产随TSR的增大而增大。在不同的偏流角下,熵产在较低的TSR下随偏流角的增大而减小,而在较高的TSR下随偏流角的增大而增大。增加偏流角同样也会导致熵产波动幅度的变大。此外,流场分析表明偏流角决定了下游尾迹的偏转方向并显著改变了尾迹形状。大部分的熵产出现在水轮机的叶尖和轮毂后方,这是因为此处形成了较大范围的流动分离和涡流,这也是导致水轮机出现高熵产的主要诱因。研究结果揭示了水平轴水轮机在偏流条件下的熵产和水力特点并准确定位了熵产集中区域,为水平轴水轮机的优化设计提供了一定的参考依据。     

无压引水洞岔洞水力模型试验及仿真分析

无压隧洞充水过程水流呈现瞬变流特性,岔洞段流态复杂。对无压隧洞卜型岔洞充水过程进行了室内物理模型试验和CFD计算机仿真,试验采用正态模型,数值计算采用标准 湍流模型;研究了闸门不同开度下分水口及闸室段水流流速、压力分布特征和流态变化规律;将模型试验数据和数值仿真计算结果进行了对比分析,给出了充水过程中不同时刻闸前后水面线变化规律,满足分流比的闸门开度组合形式和优化后的岔洞口体型。     

凹槽长度对后台阶湍流特性影响研究

为探究上游凹槽长度对后台阶流动影响,采用数值模拟方法对雷诺数6500、9000下后台阶流动进行研究,得到不同凹槽长度下,凹槽内、后台阶流道内流速及湍动能分布和后台阶时均再附距离的变化规律。结果表明：(1)凹槽可以减小后台阶时均再附距离,但当凹槽长度大于等于7倍台阶高度时,时均再附距离受凹槽长度影响较小,并趋于定值,相比无凹槽情况,时均再附距离平均减小12%。(2)凹槽长度可以改变后台阶分离点断处湍动能分布,增大分离点处湍流度。当凹槽长度大于等于7倍台阶高度时,断面湍动能呈现出S型分布,极大值出现在0.3倍流道高度附近;当凹槽长度小于7时,湍动能分首先在0.05倍流道高度附近达到极大值,而后0.6倍流道高度附近达到极小值。(3)通过缩放尺度因子,得到后台阶流动近似再附距离,解释了湍流度对后台阶流场的作用机理。时均再附距离与近似再附距离有着良好的线性关系,湍流度增大促进自由剪切层的下沉,缩短剪切层再附到下游壁面的时间,进而缩短了时均再附距离。     

盐度层化对水体紊动特性影响的实验研究

采用双层横向振荡格栅生成的紊流分别研究了纯淡水和不同盐度梯度层化水体的紊动特性。通过声学多普勒流速仪和设计开发的多通道微型盐度测量仪同步测量了水体紊动和盐度的历时变化过程,分别从水体紊动的均方根流速、紊动强度和紊动能谱等紊动特性的变化分析了盐度层化对水体紊动的影响。实验结果表明盐度层化会抑制水体紊动,减弱水体紊动强度,并且盐度梯度越大水体紊动抑制程度越大。定义了表征振荡格栅紊流中水体层化程度的无量纲层化参数,水体紊动抑制率随层化参数的增大而增大,拟合得到层化参数和紊动抑制率的关系式。     

气液两相流并列双方柱绕流涡脱特性数值研究

采用有限容积法,综合考虑了由剪切引起的紊流和由气泡引起的紊流关系式,基于双流体模型,对不同含气率、不同间距比下气液两相流并列双方柱绕流旋涡脱落特性进行了数值模拟。通过计算发现：气液两相流并列方柱绕流,在间距比T/D<2.0时,双方柱尾迹模式是偏流模式,且宽窄尾迹流是通过中间模式(非偏流)相互转化的;在偏流模式中,拥有宽尾迹模式的柱体具有更小的阻力,拥有窄尾迹模式的柱体具有更大的阻力,而中间模式两柱体阻力相当;在间距比T/D32.0时,双方柱尾迹是“同步”模式,在T/D=2.0时,双方柱以同步同相旋涡脱落形式为主,T/D=2.5、3.0、5.0时,双方柱以同步反相旋涡脱落形式为主。来流含气率增大对抑制气液两相流绕并列双方柱流动的涡街生成贡献很大,当含气率增大到0.12时,没有稳定涡街生成。对气液两相流并列双方柱绕流频域过程分析发现：来流严格对称的情况下,并列两方柱运动参量频域过程是非对称的,两柱体长时间所受到的流体作用是不一样的。     

旋转气冷涡轮三维流场的实验与数值研究

采用k-e湍流模型对气冷涡轮在静止和旋转2种工况下三维流场进行数值计算,并与PIV测量结果进行对比。计算得到射流和主流的掺混区域三维速度以及射流尾迹区二次流动,k-e湍流模型的计算结果与实验基本吻合。与静止涡轮流场相比,旋转状态下涡轮内部流场中存在的离心力、哥氏力的作用使射流与主流掺混流场三维速度发生改变,其中径向速度的改变明显。计算和实验结果表明,旋转对气冷涡轮叶片压力面侧流场的影响大于吸力面。同时,吹风比增大使射流与主流掺混流场区域以及射流尾迹区的范围扩大。