不同加糙方式对明渠水力要素的影响探究

渠道糙率的变化会造成渠道各个水力要素产生相应的改变。通过对梯形渠道进行不同方式的加糙,并用电磁流速仪测量流速,分析在不同加糙方式下流速变化、不同形状的加糙形式对水流流速引起的变化以及糙率和各水力要素之间的关系。分析结果表明：当流量不变、加糙方式一定时,糙率随着设计水深的增大而增大;断面平均流速随着糙体间距的增大而增大;当流量不变、水深一定时,糙体布置间距越小,水流的纵向紊动强度越大;水深和糙体间距不变时,随着流量的增大,水流的纵向紊动强度增大,但变化不明显。     

密排粗糙床面明渠水流的紊动特性

为揭示密排粗糙床面对明渠水流紊动参数的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了加糙后紊动强度、雷诺应力和紊动能等参数的变化特征。结果表明:床面粗糙对紊动参数的影响主要体现在内区,而外区紊动参数的变化相对较小。加糙后纵向和垂向紊动强度相对值u’⁺、v’⁺在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re_*越大,v’⁺越大,而u’⁺越小;床面粗糙对内区水流有抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用;床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向。加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。不同工况紊动能相对值E⁺在内区差异明显,随着相对水深η的增大,E⁺差异逐渐减小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大,内、外区紊动能变化与床...     

明渠试验加糙方法研究

在明渠水流试验中,经常需要进行不同糙率的研究.本文提出了一种采用绳索加糙的试验方法,并进行了各种水流条件和加糙绳距的试验.试验结果表明,加糙绳距对阻力系数的影响明显,绳距和流量越小,影响程度越大,随流量和绳距的加大,其作用逐渐减弱.加糙绳索的当量粗糙高度与绳距有关,各种试验条件的阻力系数与Rη遵循式(7)的变化规律.采用绳索加糙调整床面阻力的方法操作简单,调整灵活,变化范围大,为明渠阻力的试验研究提供了一种简便易行的方法.     

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。     

潮流紊动特性试验研究

开展潮流的紊动特性研究,对于了解潮汐水域泥沙及污染物输运机理、保护生态环境具有重要意义。本文通过水槽试验系统全面地研究了潮位正弦变化的往复流紊动特性随潮变化规律,以100 Hz的高采样频率连续采集主流区测点三维瞬时流速,根据移动平均法及最小二乘原理计算时均流速过程曲线,据此分析了紊动强度及雷诺切应力随潮变化规律、特征潮时概率密度分布与正态分布的差异,以及脉动流速的紊动能谱。研究结果表明,水流纵向流速随潮近似于正弦规律变化;纵向、横向与垂向的相对紊动强度在转潮阶段出现峰值;涨急与落急时段,与纵向脉动流速相关的雷诺切应力相对较大,纵向与垂向脉动流速概率密度分布偏离正态分布;特征潮时的脉动能谱密度均随频率增大而减小,水流能量主要集中在10 Hz以内。     

不同糙体对水流和糙率特性影响试验研究

利用三维ADV进行光壁石和塑料草加糙后的流速测量,比较加糙后流速、紊动强度和雷诺应力等垂向与横向分布.结果表明:加糙后流速垂向分布呈"J"型,紊动强度略呈"J"型,雷诺应力呈">"型,且塑料草对水流特性变化的影响较大;相同参数条件下加糙间距、水深越小,流量越大,流速呈"J"型分布越明显、紊动作用也越强、雷诺应力的最大值...     

溢流反弧段紊流过渡区紊动特性的试验研究

本文利用高速水力学国家重点实验室的激光测速系统，对两种的弧半径，三种不同粗糙度的溢流反弧段的水流流速进行了量测。对反弧段边界层的紊动特性进行了分析。给出了反弧段沿水流方向的脉动流速均方值和紊动强度√ｕ＾－’２ｘ／Ｕｅ、可以看出，不仅反弧曲率对紊动强度有明显的影响，而且粗糙度使得紊动强度加剧。     

粗糙床面明渠水力特性研究

粗糙床面非均匀流的水槽试验表明，非均匀流断面的垂线流速分布需用两个对数公式分别描述；粗糙床面的流速分布较光滑床面不均匀；非均匀流的紊流度分布随相对水深的增大而趋于均匀；粗糙床面非均匀流糙率系数的变化规律与光滑床面近似。     

含淹没植物明渠近床面区紊流特征高度试验研究

为研究含淹没植物明渠紊流统计参数垂向分布突变位置、理论床面和渗透高度的关系,进行了含淹没刚性植物明渠水流试验,使用圆柱铝棒模拟刚性植物,采用激光多普勒流速仪(LDV)测量流场,对由纵向流速、雷诺应力、局部阻力系数分布确定的特征高度和渗透高度进行研究,比较各类紊流特征高度的相对位置,分析植物密度与淹没度对其的影响。试验结果表明,在植物密度较大的情况下,近床面区流速沿垂向保持常数,雷诺应力梯度较小,一定高度处分布规律发生明显变化,能够较容易地确定流速梯度和雷诺应力梯度突变位置,淹没度对由3种方法确定的特征高度影响不明显;各种方法确定的特征高度中,雷诺应力特征高度与渗透高度更加接近;渗透高度随植物密度与淹没度的增大而增大;渗透高度与理论床面高度存在一定的线性关系。     

人工加糙明渠糙率值与水流流态关系试验

采用3种不同粒径粗糙度的人工加糙明渠和光滑PVC壁面明渠,在9种不同底坡、6组不同的流量条件下,研究了明渠均匀流中糙率值与粗糙度、弗汝德数间相关关系。研究结果表明:(1)相同流量条件下:随着弗汝德数Fr的增大,糙率n值逐渐增大。同一弗汝德数Fr下,粗糙度Δ越大,糙率n值越大。(2)不同绝对粗糙度下:随着弗汝德数Fr增大,糙率n值增大。当Fr0.70时(即缓流),糙率n值与弗汝德数Fr有关,与绝对粗糙度Δ关系不大,即n=f(Fr);当0.7Fr1.0时(即缓流),糙率值n与弗汝德数Fr和绝对粗糙度Δ都有关系,即n=f(Fr,Δ);当Fr1.0时(即急流),糙率n值与绝对粗糙度Δ有关,与Fr关系不大,即n=f(Δ)。     

扰动对明渠湍流结构及床面稳定性影响的实验研究

本文通过在水槽实验中采集的流速过程数据,定量地研究了沙纹阶段明渠水流在不同形式扰动作用下的湍流结构,以及湍流结构对泥沙运动和床面演化的影响。实验发现,扰动附近水流紊动大大增强,扰动促使局部泥沙在断面平均流速低于平床起动流速的情况下起动,并促使床面失稳形成沙纹。另外,不同的扰动形式、位置及尺度对泥沙运动以及床面稳定性的影响各不相同,实验中进行了深入的比较和分析。     

明渠岸边侧向45o取水口的水力特性试验研究

利用单点三维流速测量仪(ADV)对顺直明渠岸边侧向45°取水口的近区水域进行了三维流速测量。以分流流速比η为主要参数,分析了取水口近区水域的水力特性,包括取水分流宽度、分槽回流特性及口门断面紊动特性等。将本文的部分试验结果与90°取水口的结果进行了对比,结果表明45°取水口附近的水流更加平顺,口门断面处的流速分布更加均匀,分槽内净进流宽度更大。     

明渠岸边横向取水口水力特性的试验研究

对明渠岸边横向直角取水口的水力特性进行了试验研究。在试验室的水槽中，通过三维超声波流速仪(ADV)测得了取水口的流速数据，试验中针对不同的分流流速比，测取了主水槽的表底层分流宽度、进水口门流速场以及紊动能k和雷诺应力的分布。试验结果显示在取水口附近的水流结构具有明显的三维特性。取水口断面的流速分布与正常的明渠流速分布不同，其断面的最大流速常常在底层。     

表面糙率与明渠紊流猝发现象

采用流场综合分析法将流动显示与计算机图像处理相结合，在不同表面糙率的条件下重点研究紊流的猝发形态和特性.研究表明，表面粗糙度对明渠紊流拟序结构的特征有重要影响.猝发喷射角约为35～75度，随表面粗糙雷诺数增加趋于增大；喷射高度可达1/8水深；喷射尺度和清扫尺度均有随雷诺数增大的趋势.增大粗糙雷诺数明显增加了多头群体喷射现象，以致形成“喷射垫层”，清扫须在床面附近逐步深入推进；由于大雷诺数增加了群喷延续时间及清扫与喷射相持时间，无量纲猝发周期明显加大.分析还表明，在喷射迸发区域水体动能和紊流耗散率较床面附近提高了数倍.     

明渠流动条件下单圆墩阻水效应实验研究

该文利用明渠水流的水工模型实验手段探究单圆墩阻水效应空间分布规律及其阻水系数取值新方法。利用高精度超声水位测量系统,采集了墩柱附近特定影响区域内水位过程线,通过分析墩柱周围壅高幅值,验证了阻水效应特性与流态因子之间的新关系。定量分析了墩柱阻水效应的空间影响范围及水位变化的空间分布特征,推求墩柱阻水系数计算的新公式。研究结果可为大尺度河流水动力模拟中桥梁墩柱的概化提供一定参考依据。     

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。     

Investigating the turbulent flow characteristics in an open channel with staggered vegetation patches

In the present study, flow around circular and staggered vegetation patches was investigated numerically. For turbulence modelling, the Reynolds‐averaged Navier–Stokes technique and Reynolds stress model were adopted. The numerical model was validated with the experimental data using varying vegetation density and flow velocities. The simulated results of mean stream‐wise velocities were in close agreement with the experimental results. The results show that the mean stream‐wise velocity in the downstream regions of vegetation patches were reduced, whereas the velocity in the free stream regions were increased. The influence of neighbouring and staggered vegetation patches on the flow was observed. The vegetation patches with larger nondimensional flow blockage (aD = 2.3, where a is the frontal area per volume of patches, and D is the diameter of vegetation patches) offered more turbulence when compared to the patches with a smaller flow blockage (aD = 1.2). Larger turbulence in the form of kinetic energy and turbulent intensity was recorded within the vegetation as well as the regions directly behind the patches. Negative Reynolds stresses were observed at the top of submerged vegetation. The turbulence characteristics peaked at the top of vegetation, that is, z/h = 1.0 (where z is the flow depth, and h is the vegetation height), which may be migrated vertically as the frontal area of the vegetation patch is increased. This high frontal area also increased stream‐wise velocity above the vegetation, leading to an increased variation in turbulence around the vegetation canopy.