淹没状态下河道植物偏斜高度与糙率的关系

利用室内变坡水槽,模拟了复式河道滩地3种植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪(ADV)施测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了不同条件下的河道糙率。基于水动力及植物柔性变形分析,建立了淹没状态下的植物河道糙率计算的基本关系,反映出糙率值不仅与水流动力条件有关,还与植物类型、淹没高度、布置及其自身力学性能有关,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获取了植物河道的附加糙率值,借此分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。     

弯曲河道纵向垂线平均流速平面分布的研究

本文以弯道水流运动方程作为分析的基础，根据弯道水流纵向流速沿垂线分布在凸岸区域眼从对数分布律，在四岸区域眼从抛物分布律，导出了分区域变自率动床弯道水流纵向垂线平均流速计算公式，并从理论上对河湾纵向垂线平均流速的横向分布和沿程变化规律进行了分析，同时给出了适用于定半经弯道的纵向垂线平均流速平面分布公式的简化形式。最后采用美国ＦａｌｌＲｉｖｅｒ野外水流观测资料对纵向垂线平均流速计算公式进行了验证计算，结果令人满意。     

复式河槽漫滩水流流速分布二维解析解

通过水深平均纵向与横向流速的乘积(UV)d和垂线平均流速的平方Ud2获得了二次流项系数K的横向分布;根据(UV)d和Ud2在各区域内的关系,引入常系数a和b来表征二次流,进而给出了新的垂线平均流速二维解析解.该解析解表明,b只出现在水深线性变化区域的解析式中.分析发现,a的符号代表各区域内二次流的旋转方向,二次流强度则由a和b的取值共同决定;各区选定合适的a值可以得到较好的计算结果,b值对流速分布的影响主要在主槽区和主槽边坡区.采用英国FCF不同系列试验资料对计算模型进行验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好.同时,比较了a和b在不同断面形态的复式河槽中的取值,并就其变化规律进行了分析.     

矩形渠道人工加糙壁面阻力规律试验研究

为研究矩形渠道水流的阻力规律,采用了3种不同粗糙度的人工加糙渠道进行试验。研究结果表明在均匀流条件下,对同一粗糙度明渠,水力条件变化时糙率系数不是恒定不变的,它会随着流量的加大而呈对数减小,随着渠道宽深比的增大而呈对数增大,同时随着雷诺数Re和弗汝德数Fr的增加而呈幂函数减小。同时表明,不同的壁面粗糙度对糙率系数影响很大,进而影响水流的水力特性。即流量相同条件下,当壁面粗糙度增大时,断面水深增大,平均流速减小,雷诺数和弗汝德数均减小。并根据试验资料拟合出了糙率系数和等效粗糙度之间的关系式。     

含竖向杆件的半圆形明渠糙率研究

TBM掘进机轨道常采用工字钢支撑,明渠底部设置工字钢后会降低其过水能力。为了定量研究明渠底部设置工字钢后对其糙率的影响,引入了等效水力参数的概念,对工字钢产生的等效附加糙率进行了理论分析。此外,结合某实际工程,通过模型试验研究,测量了设有工字钢的半圆形明渠在不同流量下的水深,采用假定糙率试算法、逐段计算糙率法对其综合糙率进行了计算分析。研究结果表明,建立的"糙率条带计算法+等效附加糙率计算法"得到的综合糙率值与模型试验值吻合良好,可采用理论计算方法估算半圆形明渠底部设置竖向杆件后的综合糙率。     

基于涡黏度模型的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解

冰盖的存在显著改变了河道水流结构,使流速垂向分布关于零切应力平抛物线面呈型。考虑到准确预测冰盖下水流流速分布是计算冰封河道流量、泥沙输移率和河床演变预估的基础,本文应用双层假定和冰盖流涡黏度模型,推导出一个物理意义明确且速度梯度连续的冰封河道纵向时均流速垂向分布解析解,并明确常见的冰盖流对数流速公式和双幂律流速公式的应用条件。采用水槽实测数据和原型实验数据,对比分析所提出的解析解与现有对数公式和双幂律公式的有效性和精确性,并基于本文解析解探究了纵向时均流速垂向分布对各物理特征参数的敏感性。结果表明,该解析解的流速计算值与实测值吻合较好且较现有对数公式和双幂律公式具有较高精度;雷诺数的较小变化并不会引起纵向时均流速垂向分布的较大改变,但流速分布对冰盖糙率与河床糙率的相对值比较敏感,且纵向时均流速的最大值偏向于较光滑边界一侧,该结论与以往基于k-ε湍流模型所得到的数值结果是一致的,再次证实了本文解析解的有效性。     

渠道糙率率定误差分析

本文研究了渠道糙率率定误差与水力测量误差的函数关系。根据水力学原理,提出了计算渠道糙率率定误差的公式,然后计算分析了南水北调中线京石段应急供水工程实测流量、水深误差产生的渠道糙率率定的误差.得到重要结论:(1)微小的水力测量误差可能产生较大的渠道糙率率定误差,现有南水北调中线典型渠道原型观测糙率误差可达11%;(2)糙率的流量误差分量相对值与流量测量误差基本相同;(3)糙率的进出口水深误差分量绝对值非常接近,两者绝对值大小不仅与水深测量误差成正比,而且与渠道长度有关,当渠道过短时,糙率的水深误差分量将成倍增加。     

DETERMINATION OF RESISTANCE TO FLOW IN ICECOVERED CHANNELS USING SEMI-LOGARITHMIC VELOCITY DISTRIBUTION

1.INTRODUCTIONTheformationoficecoveronflowingwatergreatlyaltersflowcharacteristics,resultinginthechangeofvelocitydistributionandtheincreaseofflowdepthincomparisonwithfreesurfaceflowwiththesamedischargeduetotheincreasedresistancecausedbyanadditionalsolidboundary.Fromengineeringpointofview,estimationofconveyingcapacityofice--coveredstreams,orcalculationofwatersurfaceprofilealongriverreachwithicecoverisveryoftenrequiredinrivermanagementinvolvingtheoperationofreservoirswhenreleasesbaseduponthe…     

FLOW STRUCTURE IN PARTIALLY VEGETATED RECTANGULAR CHANNELS

This article discusses the transverse distributions of the depth averaged velocity and the Reynolds stress in a steady uniform flow in partially vegetated rectangular channels. The momentum equation is expressed in dimensionless form and solved to obtain the depth averaged velocity. The analytical solution of the velocity in dimensionless form shows that the depth-averaged velocity is determined by gravity and its distribution is mainly determined by the frictions due to water or vegetations. The analytical solution of the Reynolds stress is also obtained. A relationship between the second flow and the inertia is established and it is assumed that the former is proportional to the square of the depth averaged velocity. The Acoustic Doppler Velocimeter (Micro ADV) was used to measure the steady uniform flow with emergent artificial rigid vegetation. Comparisons between the measured data and the computed results show that our method does well in predicting the transverse distributions of the stream-wise velocity and the Reynolds stress in rectangular channels with partially vegetations.     

浮帘群水流阻力特性试验研究

为探明含浮帘群水流的阻力特性和各阻力参数计算方法,对不同间距、不同高度浮帘群在不同恒定均匀明渠流中的阻力特性开展了92组水槽试验。通过拟合水面线获得水力坡降,探讨浮帘拖曳力系数、曼宁糙率和达西韦斯巴赫阻力系数的变化规律。研究结果表明:浮帘群布置存在临界间距,此时浮帘间的相互干扰作用几乎消失;浮帘群消能增阻作用明显,其拖曳力系数在不同水流条件下变化较小,取值介于1.60~2.05之间;曼宁糙率主要与浮帘相对高度及浮帘分布密度有关,并获得了曼宁糙率的修正计算方法;达西韦斯巴赫阻力系数可由浮帘相对高度、浮帘分布密度及浮帘雷诺数组成的拟合公式获得。     

TURBULENT FLOWS AROUND SAND DUNES IN ALLUVIAL RIVERS

The sand dunes are typical bed forms of natural alluvial rivers.In this article,a vertical 2-D Reynolds stress model is established for the simulation of turbulent flows around sand dunes,and water-sand boundary conditions are set with particular attention.By numerical simulations,the following conclusions can be drawn.(1) The flow resistance in rivers with sand dunes could be divided into the sand-grain resistance and the sand dune resistance,and the sand-grain resistance coefficient mainly depends on Reyn...     

非对称复式断面明渠中污染物输移扩散的大涡模拟

运用大涡模拟计算了两个非对称复式断面明渠内的水流运动和污染物扩散,其中由亚格子尺度涡运动引起的亚格子应力与物质扩散通过Smagorinsky-Lilly亚网格模型模拟。预测结果与Shiono等使用激光多普勒流速计(LDA)和激光诱导荧光技术(LIF)测量的实验数据进行了对比,计算得到的流场结构和污染物浓度分布均较好地吻合于测量结果。成功地再现了在其中一个复式断面明渠中观测到的横向浓度分布呈现显著双峰值的现象,根据计算的流场得出复式断面明渠中流向交替变化的强烈横向流动是产生这种现象的主要原因。     

黄河下游河槽治理方法分析

本文对已有的河槽形态与水流狭沙力关系的研究成果进行了探讨。进一步在考虑米沙组成变化、河槽综合阻力变化的条件下．计算得到了黄河下游典型断面流量分级平均水沙条件下河槽平衡输沙横剖面。平衡横断面与实际断面比较．下游无论游荡段与弯曲段，实际断面都显得过于宽浅。分析认为，尽管河槽缩窄可加大水挟沙能力．但受河型发育机制的制约．在现有水沙和边界条件下黄河下游河槽的横剖面是无法自动调整形成输沙平衡形态的。文中还利用黄河下游来水来沙和河道冲淤实测资料证明了黄河下游水流不冲狭沙量小于不淤沙量．河道从淤积转向冲刷时．水流含沙量明显降低，固此减少同流量下台沙量的变化有利于减轻下游河遭淤积。从理论分析结果看：缩窄中、小流量“下的河槽．以多级河槽方式重点整治花园口以下河段．使横断面总体形态呈上凸形．能显著减小黄柯河槽中的淤积；同时，应配合河道整治，利用水库调节水沙和进行必要的挖沙疏浚措施。具体实施方法还需要进一步研究；     

桩墩影响下的水动力数值模拟

建立平面二维数值水槽模型,将桩墩作为不透水边界处理,利用三角形加密网格精确模拟桩墩形状,计算分析缓流河道中单排桩墩影响下水位和流速的变化,并探讨了方墩与圆墩对水流变化的影响差异以及糙率与紊动黏性系数对壅水数值的敏感性。研究结果表明:①桩墩引起的水流变化沿纵、横向呈现出不同的分布形式,沿横向呈波状分布。墩身上游主要表现为水位壅高,流速减小;墩身下游则表现为水位跌落,流速在墩间区域增加,而在墩后区域减小。②方墩对水流变化的影响比圆墩大;上游壅水随糙率变化较小,但对紊动黏性系数的变化较为敏感。     

基于表面粗糙度参数的管道当量粗糙度快速评测

管道水力摩阻系数的精确取值是输水工程水力设计的重要前提,当量粗糙度k是计算水力摩阻系数的基础参数,然而传统的水力学试验方法检测k值需耗费较多的人、财、物、时。研究首先对3种不同粗糙度内衬的球墨铸铁管进行水力学性能的试验检测,基于不确定度理论给出合理的k值。在此基础上,采用触针式表面粗糙度仪对管道内壁的表面粗糙度参数进行检测,将检测结果与k值进行比较,结合国外已有试验数据,分析给出工程中管道k值的快速评测方法:当粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra≤10μm或粗糙度轮廓的最大高度Rz≤50μm时,取样长度为lr=2.5 mm,采用中线制评定所得的Rz≈k,可使用Rz值代表k值对管道的水力性能进行评价。研究成果也可用于生产中管道内涂层加工质量的控制和提高。     

天然河道非恒定流条件下阻力系数变化规律的研究

天然河道非恒定流水面线的计算,在生产实践中有着重要的意义,而阻力系数的选取直接影响其计其计算成果。本文在以汉江丹-襄河段为例进行天然河道非恒定流水面曲线计算的基础上,利用大量实测资料,运用无约束最优化方法进行了天然河道非恒定流时的阻力系数和糙率率定的研究和计算。这种方法是利用计算技术对天然河道的实测数据进行分析和整理的一次尝试。根据计算结果,本文给出了阻力系数、糙率与流量、水位、时间、佛汝德数及Q/t的变化关系。这些变化关系的特征大体上与前人的理论和实践分析相符,同时还得到了一些新的变化规律。     

TRANSVERSE MIXING IN A TRAPEZOIDAL COMPOUND OPEN CHANNEL

Transverse mixing characteristics of solute in the open channel flow can provide useful information for river environmental management. The lateral mixing coefficient is a crucial parameter for reproducing the transverse mixing either by numerical simulation or by analytical prediction. Since the solute mixing can be greatly affected by the lateral variations in water depth, mixing coefficient should be determined in each sub-section （i.e., the main channel, side slope and flood plain） separately. In this article, the transverse mixing in a symmetric trapezoidal compound channel was studied based on laboratory measurement of longitudinal and transverse velocity components and lateral distribution of solute concentration. The lateral mixing coefficient was estimated by adopting different Schmidt numbers in different sub-sections divided according to the developing trend of the eddy viscosity, and finally a piecewise linear profile of mixing coefficient was adopted to analytically predict the transverse solute concentration. The comparison between the analytically predicted data and the measuring solute concentration proved that this is an effective way to estimate the lateral mixing in the open channel flow with lateral variations in water depth,     

Experimental study of the flow structure of decelerating and accelerating flows under a gradually varying flume

The turbulence characteristics of both decelerating and accelerating flows under a gradually varying flume are investigated by using a three-dimensional down-looking acoustic Doppler velocimeter(ADV). The time-averaged velocity profiles are flatened except for the central parts, and fairly fit into logarithmic laws and those in the plane circulation under the gradual expansion are more likely to be negative. The complex secondary currents are identified under the present gradual transition attributed to the combination of driving forces induced by both the boundary configuration variation and the unbalanced turbulence: a circulation on each side of the expansion and a pair of circulations on each side of the contraction. One sees an anisotropy in the turbulence intensities, the turbulence intensities increase or level out with the flow depth except those under expansion, and the V component of the turbulence intensity typically outweighs that in the streamwise direction. Apart from the above results, the respective particular distributions of the primary Reynolds shear stresses(xy? and xz?) under the gradual expansion and contraction can account for the patterns of the secondary currents in this investigation.     

漫滩挟沙水流流速横向分布研究

在建立漫滩挟沙水流掺混区横向涡粘性系数表达式的基础上，根据水深平均的水流运动方程，得到掺混区流速横向分布公式，经验证，该公式与实测资料基本上吻合。