基于数值模拟的矩形明渠床面切应力分析

河道流动受边界切应力影响,边界切应力过大会造成河岸被侵蚀,降低河岸的稳定性,并通过影响泥沙的沉积和搬运,引起河流形态变化。探究河流边界切应力,就是在河流中水流流动状态、结构特性等问题。由于河流中影响边界切应力的因素多且复杂,本文去掉各种不确定的因素,通过数值软件建立一个二维矩形直道明渠流动模型,运用相似理论中的重力相似准则对矩形直道明渠模型进行缩尺,首先将5种比尺的均匀流直道模型的流动进行数值模拟。由于该5个直道明渠模型模拟结果统一出来的水位流量关系与曼宁公式推导出的水位流量关系高度一致,因此可以表明该模型模拟出来的参数是真实可靠的。针对非均匀流的情况,本文通过欠均匀流和超均匀流的概念,对9组直道模型非均匀流进行数值模拟,通过非均匀流的受力分析推导出通用的床面切应力公式。该公式表明无论矩形明渠的流动是否为均匀流,都可通过水深h、流速u、曼宁糙率系数n三个参数求出床面切应力。     

明渠断面流速与边壁切应力相关的试验研究

根据Ｐｒａｎｄｔｌ理论关于对数流速分布的假定,利用间接测量法测量了相同流量不同水深情况下明渠底部的切应力分布。结果显示,在明渠边壁糙率突然减少的两边流速分布和边壁切应力均有最大值。根据作者的试验结果,给出了槽底平均切应力τ０与明渠流弗汝德数Ｆｒ相关关系,可供参考。     

基于PIV的明渠紊流压强场测量技术研究

基于粒子图像测速（PIV）的压强场测量技术可实现流动内部瞬时压强的非接触式、高时空分辨率、全场测量。本文采用欧拉法根据时间解析的速度场重构压强梯度场,再采用虚拟边界全向积分法结合边界条件得到压强场,实现了基于PIV的明渠紊流压强场测量技术。为了使用基于PIV的压强场测量技术准确测量明渠紊流压强场,利用时间解析的明渠紊流直接数值模拟数据和PIV速度场对该测量技术的精度、误差来源及主要影响因素进行了分析。基于本文数据,发现该测量技术的测量结果几乎无平均偏差,但均方根误差相对较大约为25%;通过分析由速度场重构压强梯度场及由压强梯度场积分得到压强场两个阶段的测量误差表明,压强场测量误差主要发生在由速度场重构压强梯度场这一阶段,主要受流场测量参数和边界条件给定方法的影响。进一步分析了上述主要影响因素对压强测量误差的影响规律,发现压强场测量误差随流场采样间隔的增加而增大,随流场测点间距的增加先减小后增大;基于本文数据得到在内尺度无量纲测点间距约为7时误差最小,但该测点间距最优值的普适性尚待更多数据支撑;在矩形测量区域边界4个角点布置压强边界点时,压强场测量误差会显著降低。将该压强场测量技术初步应用于明渠均匀紊流,发现时均压强测量结果较为准确,压强紊动强度测量结果误差相对较大,但垂向分布趋势接近。研究结论为明渠紊流压强场的实验测量提供理论依据和实践参考。     

明渠均匀流垂线流速分布规律研究

针对现有明渠均匀流对数流速分布公式和指数流速分布公式存在的问题,根据明渠均匀流切应力与速度梯度的关系,推导出了一个新的流速分布公式.该公式在渠底和水面都与理论分析、实际情况相符.新的流速分布公式较现有对数流速分布公式和指数流速分布公式在理论上更加完善,更加合理.实验资料验证表明,新公式可以较好地反映实际流速分布规律.     

边界条件对植被化矩形复式河槽流速及床面切应力的影响

在水深平均动量方程中加入了植被引起的拖曳力,给出了垂线平均流速及床面切应力的2维解析解.根据滩地植被化矩形复式河槽的断面形态特点,建立了滩槽交界面的切应力平衡方程进而提出了2种边界条件.比较这2种边界条件后发现它们的计算结果在水深较大时几乎相同,而水深较小时在剪切区内有一定差别,考虑了主槽边壁切应力影响的边界条件可以给出更好的计算成果.运用8组不同的矩形复式河槽试验资料对该边界条件的应用情况进行验证,结果发现,在各个区域选取合适的二次流系数比忽略二次流能更好地模拟流速及床面切应力分布,在各组矩形复式河槽工况中,考虑二次流可以得到较好的计算成果.     

粒子图像速度粒度同场测量基础与实验验证

从米氏散射理论(Mie scattering)出发,在粒子图像测速法硬件系统结构模型和电荷耦合器件光电转换一般特性基础上,推导出了真实球形粒子在数字相机上所成粒子像各像素点灰度总和的理论计算式。为验证该理论计算式的正确性,采用不同粒径的4种标准粒子进行实验,考察粒子像点灰度和随粒子曝光时间、照明用激光脉冲光强及真实粒子粒径的变化情况。结果表明:粒子像点灰度和随曝光时间及激光光强的变化呈线性趋势,基本与理论推导结果相一致。相同实验条件下的不同粒径标准粒子所成像点灰度和比值均在粒子粒径平方比附近,符合理论结果。     

明渠断面流速与边壁切应力相关的试验研究

根据Ｐｒａｎｄｔｌ理论关于对数流速分布的假定,利用间接测量法测量了相同流量不同水深情况下明渠底部的切应力分布．结果显示,在明渠边壁糙率突然减少的两边流速分布和边壁切应力均有最大值．根据作者的试验结果,给出了槽底平均切应力τ０与明渠流弗汝德数Ｆｒ的相关关系,可供参考．     

粒子图像测速发展综述

粒子图像测速(PIV)是一种基于流场图像互相关分析的非接触式瞬时全流场测量技术,它融合了计算机、光学及图像处理技术等交叉学科,在流体力学、空气动力学以及生命科学等领域有着广泛的应用。随着PIV技术的进步,其测量功能由早期的二维平面发展成三维空间,为瞬态流场的可视化提供了强有力的工具。从测试原理及系统组成的角度,重点介绍了立体PIV、全息PIV、层析PIV及微PIV等最新三维PIV技术,总结了PIV技术的发展和研究现状,最后探讨了PIV技术的未来发展趋势。     

粒子图像测速技术在两相流测量中的应用研究

为实现对两相流中各相速度的同步测量，提出了一种两相流数字粒子图像测速(PIV)方法.该方法选用合适的示踪粒子显示液体的运动，并用高速摄像机采集气液两相流动数字图像.从图像处理着手，根据图像灰度的不连续性和相似性，对采集到的两相流数字粒子图像进行分离，实现液体示踪粒子和气泡的标定.最后采用基于改进了的互相关算法得到液体流场速度分布，同时利用跟踪法得到气泡的速度分布，并对液体速度场中产生误矢量的原因进行了分析，消除了误矢量.经实例研究表明，该测量方法对硬件的依赖性小，测量成本低，可进一步推广至气固两相流的测量.     

新型切槽法测量预应力混凝土梁现存应力实验

预应力混凝土结构被广泛地运用于现代工程建设中,结构的现存应力值对评估结构的工作性能发挥着重要作用,如何准确快速地测量出预应力混凝土结构现存应力一直是工程界较为棘手的问题。在传统的应力释放法测量混凝土结构应力技术的基础上,提出新型切槽法。该方法能通过扁型千斤顶技术消除混凝土弹性性能的不确定性,使测量过程更简便,测量结果更精确。实验结果证明新型切槽法测量误差在工程允许范围之内。     

分汊河道床面阻力规律探讨

采取概化模型试验研究了鹅头型汊道床面切应力τ_0,分析了其阻力的变化特点,并得到了野外实测资料的检验。     

加速管道流瞬态壁面摩擦阻力及湍流行为实验研究

通过对加速管道流瞬态壁面摩擦阻力及湍流行为的实验研究,并将改进的统计平均法应用于实验数据的处理。结果表明,加速管道流瞬态时均壁面切应力较稳态壁面切应力存在明显差异,工况1中最大差值接近于稳态值的2倍。流动加速率的降低和初始流量的增加缩短了湍流的滞后段,减小了瞬态壁面切应力与稳态值的差别。瞬态壁面切应力及湍流的发展可分为4个典型阶段,前2个阶段为湍流的滞后期,流动惯性占据主导地位,后2个阶段为湍流的发展阶段。     

梯拱形渠道流速横向分布规律及流量量测

新疆吐鲁番地区地理及径流、泥沙条件独特,干支渠一般都采用梯拱形断面型式.通过对该地区主要干支渠流量系统观测资料的统计分析,借助二元明渠紊流掺长理论,建立了梯拱形渠道流速横向分布公式.大量不同梯拱形渠道、不同流量的流速实测数据分析和验证表明,理论与实测流速横向分布都符合对数分布规律,利用多变量回归分析,确定了流速横向分布系数a、b值.在此基础上,推导出梯拱形明渠断面平均流速计算公式,计算值与实测值误差较小,并给出了修正系数的确定方法.根据提出的明渠流速公式,进一步建立了灌区渠系中流量连续测量的实用方法和工作流程,简化了明渠测流工作,降低了量测成本,提高了测流精度.     

梯拱形渠道流速横向分布规律及流量量测

新疆吐鲁番地区地理及径流、泥沙条件独特,干支渠一般都采用梯拱形断面型式．通过对该地区主要于支渠流量系统观测资料的统计分析,借助二元明渠紊流掺长理论,建立了梯拱形渠道流速横向分布公式．大量不同梯拱形渠道、不同流量的流速实测数据分析和验证表明,理论与实测流速横向分布都符合对数分布规律,利用多变量回归分析,确定了流速横向分布系数a、b值．在此基础上,推导出梯拱形明渠断面平均流速计算公式,计算值与实测值误差较小,并给出了修正系数的确定方法．根据提出的明渠流速公式,进一步建立了灌区渠系中流量连续测量的实用方法和工作流程,简化了明渠测流工作,降低了量测成本,提高了测流精度．     

化工多相流图像分析系统及其在液-固循环流化床研究中的应用

开发了一套用于多相流流场测试的化工多相流分析系统，该系统应用简便，功能强大，并已成功用于竖直管内液—固循环流化床中固体颗粒运动特性的研究。试验结果表明：1)该系统能直观显示被测流场的运动状态，满足一定流场的测量要求；2)颗粒在管内的浓度分布是不均匀的，随颗粒的体积分率和流型的变化而变化；3)所得的试验结果能够解释液—固流化床换热器的强化传热和防除垢机理。