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。     

淹没垂直圆柱周围水流结构及紊流特性试验研究

淹没垂直圆柱虽在各工程领域中均有广泛的实际应用,但还没有关于其绕流场内水流结构及紊流特性的系统研究。通过室内变坡水槽试验对淹没垂直圆柱周围的瞬时流速场进行了精细测量,分析了淹没率对垂直圆柱上下游竖直对称面内三维流速、紊动强度等水力参数垂线分布的影响程度,研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力随淹没率的变化规律,揭示了淹没率影响垂直圆柱周围清水局部冲刷的机理。研究结果表明:增大淹没率能够减小垂直圆柱出露于水体中的有效长度,使得垂直圆柱对水体的阻流和扰动作用减弱,也使得垂直圆柱上游迎水面处向下水流、柱周马蹄形旋涡和下游尾流旋涡的冲刷能力被有效削弱,降低了垂直圆柱周围床面泥沙被旋涡体系卷起后顺水流失的概率。     

含植被群河槽垂线平均流速分布特性实验研究

植被单元产生的形态阻力会阻碍水流,从而导致局部流速亏损,因此植被作用下的流速分布不同于明渠水流.通过水槽试验,研究了非淹没刚性植被群对单一河槽水流垂线平均流速分布的影响.采用竹签概化模拟圆形植被群落,设计了试验方案、各项参数等,进行了两组对照试验.试验表明,植被群会影响垂线平均流速的纵向分布,在植被群后流速显著减小,并且在一段距离后逐渐恢复;植被群对垂线平均流速横向分布也有一定的影响,在植被群下游附近垂线平均流速沿横向呈波谷状对称分布,而在其上游影响甚微.     

掺气对明渠流速分布影响的试验研究

为揭示掺气对明渠流速分布的影响,采用针式掺气流速仪对3种不同掺气形式的水流分布进行测量,分析结果表明:在掺气发展区无论自掺气水流还是强迫掺气水流,其断面垂线流速最大值都在水面以下;各断面相同位置处,强迫掺气水流流速都大于自掺气水流对应的流速;无量纲垂线流速分布曲线都保持类似指数分布规律,在近槽底附近,指数介于6～6.5,而曲线后半支较指数分布平缓.     

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.     

瓜洲泵站交汇区域水流特性分析

瓜洲泵站下游引河与古运河交汇区域水流流动较为紊乱,对船舶航行安全存在一定影响。通过CFD数值模拟可知,交汇区域以弯道水流进入下游引河,主流流速低于下游引河平均流速;靠近瓜洲闸枢纽侧出现大尺度回旋,回流区水流平均流速在0. 2 m/s以内,最大回流流速不超过0. 35 m/s,且最大回流流速分布靠近翼墙圆弧段;船舶航行靠岸侧区域的横向流速小于0. 15 m/s,纵向流速在0. 5 m/s以内;随着水深的增加纵横向水流流速有所下降;交汇区域主流最大流速小于下游河床不冲流速,抗冲满足规范要求。分析成果对类似工程设计具有一定的参考价值。     

黄陵庙水文断面垂线流速分布特性研究

  为进一步利用天然河流实测资料检验垂线流速分布的指数与对数规律,采用多普勒剖面流速仪在黄陵庙水文断面中实测的不同垂线与不同流量情况下的瞬时流速资料,计算了时均流速的垂线分布,并与指数和对数流速分布公式计算的结果进行了比较分析。结果表明,黄陵庙水文断面不同垂线水流的时均流速分布符合对数与指数分布规律。然而,在不同水流与边界条件下,其指数公式中的指数大小与对数公式中的有关参数有所不同。通过对黄陵庙水文断面垂线流速分布特性的研究,丰富了对天然河流垂线流速分布规律的认识。     

宽窄复式河道水流运动特性的试验研究

在分析水槽试验资料的基础上，首次对宽窄复式河道的滩槽过流能力、断面平均流速、垂线流速及横向分布等水流运动特性进行了研究．研究结果表明，宽窄复式河道的主槽流量随着滩槽宽度比的增大而减小，滩地流量随着滩槽宽度比的增大而增大；水流发生漫滩之后，随着水深的增加，主槽流速先减小后增加，滩地流速不断增加，二者的变化幅度与滩槽宽度比有关；在大部分区域内垂线流速偏离对数分布，主槽一般偏小，滩地偏大；垂线平均流速沿横向分布与一般复式河道相似，但滩槽流速差别减小．     

弯道建坝对纵向流速分布特性的影响

采用U形弯道模型,研究在弯道出口顺直段上建坝及不同坝高对水流纵向流速分布特性的影响。试验结果表明:在弯道上建坝后水流的纵向流速变小,且坝越高流速越小,坝前顺直段流速偏离系数增大;高坝对弯道流速沿程变化规律的影响比低坝大;建坝后弯道水流的流速分布比无坝时更均匀对称;低坝对水流纵向流速在垂线上分布规律的影响不大,高坝会使纵向流速在垂线上的变幅减小。     

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。     

海山后尾迹涡形成因素的数值研究

该文采用regional ocean modeling system(ROMS)海洋模式,对理想channel中的海山模型,研究均匀分层流作用下,不同的伯格数和来流条件对海山诱导的尾迹涡及垂向流动的影响。结果表明,伯格数越大,越有利于海山后尾迹涡的产生,涡的强度不断增大,且涡脱落频率加快;随流速的增加,海山后尾迹涡的强度增大,涡脱落频率加快,且海山周围的垂向流动增强;当来流速度较低(0.05 m/s)及较高(0.8 m/s)时,均不利于在海山后形成稳定的垂向流动。     

非淹没复式断面丁坝区的流速分布规律

复式断面丁坝是常见的航道整治建筑物。通过室内水槽试验开展非淹没复式断面丁坝流速分布规律研究。结果表明①表层合流速高速区主要出现在一级丁坝坝头下游外侧,二级丁坝长度b₂对高速区流速大小及平面分布形态具有明显影响,而弗劳德数Fr只影响高速区流速大小,表层横向流速平面分布接近扇形,最大横流可达试验流速的0.45倍;②横断面上纵向流速高速区位于一级丁坝坝头附近,强横流区位于二级丁坝前缘,均呈带状分布,b₂越大,带宽越小,高速区分布更为集中;③纵剖面上纵向流速最大值出现在丁坝下游靠近水面附近,其沿程位置随b₂的增大而上移,横向流速呈先增大后减小的变化,最大值出现在丁坝附近靠近槽底的部位,强横流区呈枫叶型分布。研究结果可为航道整治工程设计和丁坝水毁保护等提供参考。     

堆积体对上游附近河道三维流速分布影响的试验研究

堆积体的存在易对河道的水流流速产生影响。通过水槽试验,采用ADV观测堆积体附近的三维流速。通过控制流量大小,研究堆积体作用下河道三维流速沿堆积体上游临近横断面的分布规律。试验结果表明:①流量相同时,流速受堆积体形态影响。离河床越近,三维流速沿横断面的分布曲线:顺水流方向流速u的趋势线越陡,指向右岸一侧流速v和垂直河床向下流速w的峰值越向堆积体在横断面的投影线靠近。v由天然情况下趋于0的直线变成离河床越近,流速峰值越大,两岸流速越小的下抛物线。w在河床附近,曲线呈“勺子”形态,远离河床,曲线失去“勺子”形态。②随着流量增加,同一流层上,u流速增大,流速沿横向的分布越不均匀,曲线越陡。u流速方向和v流速方向的夹角θ,在离左岸(堆积体一侧)大约1/2堆积体半径时取得最小值。离左岸越远θ值越大,直至离左岸45 cm后θ才恢复天然值90°。研究成果可为河流防护和治理工作提供技术支撑。     

同侧竖缝式鱼道结构优化数值模拟研究

鱼道是保证鱼类能顺利洄游的过鱼设施。通过竖缝相对宽度分别为0.05,0.10,0.15,0.30,底坡为10%的鱼道模型进行数值计算。采用可视化显示及数据分析的方法分析不同竖缝相对宽度、底坡条件下的同侧竖缝式鱼道的水流结构特征。通过模型模拟,分析水流沿水深方向的流速分布情况、主流区最大流速沿程分布及沿程衰减情况,以及在不同竖缝相对宽度和(或)不同流速情况下的紊动能分布情况。综合各物理量的分析,得出竖缝相对宽度b₀/B=0.15、底坡为10%时,水流在池室内能形成较好的适合鱼类洄游的流态:主流区水流横向扩散范围适中,主流区最大流速沿程均匀衰减,回流区面积较为对称,流速较小。     

四面六边透水框架尾流场水力特性

采用声学多普勒流速仪（ADV）自动测量分析系统,测量了水槽中四面六边透水框架和四面六边实体块尾流场的流速垂线分布和紊动量垂线分布,对比研究了两者的水流结构和防护机理。采用动量积分的方法,计算了四面六边透水框架绕流体的阻力,研究表明,在一定雷诺数范围内,四面六边透水框架的阻力大小开始随着雷诺数的增大而增大,当达到一个峰值后,又逐渐趋于一个常数值。     

宽窄相间河道上游流速特性分析

山区河道受地质和河床演变的影响,平面形态呈宽窄相间的形态特征。采用水槽模型试验,建立不同比例的宽窄相间河道模型,对上游断面进行流速测量,对比均匀流分析其流速变化规律,并反算其摩阻流速。结果表明:宽窄相间河道上游较远处流速分布基本符合对数流速分布规律,接近收缩段处不符合对数流速分布规律;宽窄相间河道横向流速分布符合指数分布规律,其横向流速分布参数与摩阻流速呈规律性变化,与宽窄比及距收缩段的距离有关。研究成果可为宽窄相间河道工程整治提供理论参考。     

波流作用下淹没圆柱局部冲深影响因素分析

淹没圆柱在海洋工程中运用广泛,局部冲刷对此类建筑物的安全有较大影响。为掌握该类型建筑物在波流作用下的冲刷特性,在波流水槽内开展了一系列试验研究。试验将圆柱模型安装在波流水槽中部的沙槽内,沙槽内铺设中值粒径0.22 mm的无黏性沙,形成平底海床。试验中圆柱处于淹没情况,改变入射波流条件,观测多种波流作用下,不同高度淹没圆柱周围的局部冲刷深度发展过程,分析了多种无量纲参数对局部冲刷深度的影响。结果表明:当KC数不变时,冲刷深度s/D随着相对流速U_cw和Fr的增大而增大,当Fr增大到一定程度时(Fr>0.80),冲刷深度s/D趋于稳定; U_cw在固定范围内时,冲刷深度s/D随KC数的增加而增加,增长速率逐渐变慢; 引入淹没因子K_s,得到了淹没圆柱与非淹没圆柱的冲刷深度计算关系式。     

小宽深比U型弯道环流试验研究

采用多普勒超声测速仪(ADV),对小宽深比的U型弯道沿程断面上各不同垂线位置上的点进行了三维流速测量,并基于所测数据分析了主流线位置、横向流速沿垂线分布、环流结构以及环流强度等水力特性。研究结果表明:在60°断面后,水流的表层与底层主流线开始分离,形成复杂螺旋结构。水流进入弯道后,沿程各断面均形成一逆时针主环流,并且从75°断面开始,凹岸表层又出现与主环流方向相反的次生环流;环流强度最大值位置出现在弯道弯曲度1/3处附近。研究结果为进一步深入研究弯道水流紊动特性和泥沙运动提供了有效参考。     

内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟

桩柱绕流水动力特性直接决定水流对桩柱作用力的分布规律,是内河框架码头水流荷载计算的基础。结合计算流体动力学(CFD),依托内河框架码头实际工程,进行了内河框架码头大直径桩柱串列及并列4桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟,系统分析了不同流速及不同桩间距下桩柱绕流尾流流场形态,揭示了桩柱绕流阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数随桩间距和流速的变化规律。研究了串列及并列4桩柱绕流流场形态和水动力特性,不同流速及不同桩间距下的遮流影响效应、遮流影响系数以及横向影响系数的变化。数值模拟与分析结果可为计算类似内河框架码头水流荷载提供一定的技术参考。