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。     

植被群密度对河道水流紊动特性影响的试验研究

为探讨植被群密度对河道水流紊动特性的影响,试验设置了8组不同密度的植被群,用均匀圆柱形竹签模拟非淹没的刚性植被,采用ADV测量三维瞬时流速。通过对比分析,发现植被群下游紊流结构分布有较大变化。在植被群末端,紊动能横向分布随着植被群密度的增大表现为两种形式,低密度时趋向于波峰状,高密度时则在植被群左右两端各有一个波峰;在植被群后紊动能的纵向分布中,沿程表现为“波峰-波谷-波峰”状分布,随着密度的增加,紊动峰值之间的距离缩短,且两个波峰表现出不同的变化趋势。植被群末端紊动增强,在紊动强度的垂向沿程分布中,植被群越密,下游紊动强度的波动越大,并在尾部出现翘曲的现象,当密度达到一定程度时,弯曲度趋于稳定。     

水流强度对推移质三维运动规律的影响

利用粒子示踪技术对恒定均匀明渠流中的推移质颗粒运动进行了测量,采用了三种比重的试验沙,通过改变沙样粒径及水力比降,得到了10组不同水流强度下粒子的三维运动轨迹,计算了粒子三个方向上的速度分量并对大量颗粒的计算结果进行了统计分析。试验结果表明,推移质颗粒运动的平均纵向速度与颗粒雷诺数成幂函数关系,垂向和横向上则基本为随机运动,没有明显的平均运动趋势;颗粒纵向紊动强度及紊动能量均随Shields数增大而增强,由于比重及粒径尺寸的约束,颗粒纵向和垂向紊动强度在数值上大约为清水的一半。     

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。     

沙棘植物对水流表面流速横向分布影响的PIV野外试验

河渠中植被可以增大水流阻力、雍高水位并改变水流的横纵向流速分布.应用先进的PIV技术,在野外大型试验场,开展了沙棘柔性植物对水流特性影响的野外试验.根据实验数据,本文分析与讨论了沙棘柔性植物对水流表面流速沿横向分布的影响.分析表明,在恒定非淹没流作用下,无沙棘植物的对比段表面流速横向分布符合对数型顺"流舌"的光滑型态,沙棘柔性植物丛内的表面流速沿横向则呈现出反"流舌"型态,并沿整个断面的分布并不光滑,表现出沙棘植物对水流明显的阻力效应.在流出柔性植物后的对比段中,流速沿程增大,沿横向分布也开始逐渐恢复到无植物时的状态.这些对于研究河道植被阻力及滞流拦沙能力都有重要意义.     

异侧布置缝-孔-堰组合式鱼道紊流结构试验研究

我国沿海沿江洄游性鱼类众多,单一式鱼道难以满足鱼类不同溯游习性的要求。迄今,人们对单一式鱼道研究较多,而对组合式鱼道仅限于数值模拟工作,试验研究几乎是空白。本文对凹口堰-矩形中孔-竖缝组合式鱼道的紊流结构进行了较为系统的试验研究。采用声学多普勒测速仪（ADV）量测了鱼道水池内各点的三维瞬时流速,分析了组合式鱼道的流动特征、时均流速、紊动强度、雷诺应力、频谱特性、相关函数及紊动尺度。试验研究结果表明：与单一式鱼道比较,组合式鱼道水流具有显著的三维流动结构;纵向流速在水平面上存在明显峰值区,横向流速和垂向流速显示在横断面上存在旋涡区;在竖缝壁面射流与孔口射流汇聚区,纵向、横向及垂向紊动强度均较大,合并后则逐渐减小;雷诺应力峰值区主要出现在多股射流交汇区;纵向脉动能量主频峰值大小为孔口>凹口堰>竖缝;纵向脉动流速表现出随时间的相关性,并有凹口堰>孔口>竖缝,且沿程波动周期延长;积分尺度和微分尺度显示涡旋结构与组合式鱼道的流区有关。     

冰封河道纵向离散系数计算研究

河道的封冻显著的改变了水流的流动结构和纵向离散特性。借助于根据天然河道特征概化的抛物线型断面型态,结合垂向双对数的流速分布律,建立了冰封河道全断面的流速分布;在此基础上研究了冰封河道中纵向流速横向分布不均匀性和垂向分布不均匀性对纵向离散的影响并建立了针对宽浅型冰封河道纵向离散系数的计算公式。公式以理论积分公式为基础,综合考虑了断面型态及冰盖的影响,机理清楚,形式简单,便于应用,且计算结果与示踪试验成果吻合良好,可以用来预测宽浅型冰封河道的纵向离散系数。     

桥墩上环翼型防冲板和开缝组合新型防护试验研究

由于传统桥墩冲刷防护技术的局限性,引入环翼型防冲板和开缝组合的新型防护措施,通过主动减小墩前下降水流和墩侧绕流对河床进行防护。为探究组合防护措施的防冲刷效果,采用最优安装位置、最优形状的防冲板与不同高度、不同位置的墩缝系统组合,进行室内物理模型试验。以冲坑三维特征、桥墩周围时均流速、紊动强度和紊动动能作为试验指标,定量分析开缝防护与组合防护对桥墩冲刷的影响。试验结果表明:两类防护下,冲坑深度均显著减小,且组合防护的冲坑深度减小率是开缝防护的1.8倍;组合防护下,墩前垂向时均流速、垂向紊动强度和紊动动能都明显减小,并在防冲板位置出现板上值远大于板下值的突变现象,墩侧纵向时均流速和纵向紊动强度减小效果显著。研究表明,对于圆柱形桥墩的局部冲刷,环翼型防冲板和开缝组合防护效果突出,为深入研究桥墩防冲刷的组合防护奠定了一定的基础。     

裁弯对上下游流态影响的三维数学模型研究

裁弯是弯曲型河道演变发展以及河道整治工程中十分常见的现象.裁弯会对上下游河道产生较大影响.本文利用数学模型.采用带旋流修正的紊流模型,同时借助VOF方法描述自由表面,对三个连续畸弯的水流结构进行数值模拟,分析比较了两个裁弯工况对上下游河道的水流结构的影响.计算结果表明:裁弯对上游河道的影响明显大于下游,具体表现为裁弯明显加大了上游垂线平均流速,增大范围与裁弯幅度呈正比,与离开裁弯点的距离呈反比,上游弯道的环流强度同时减弱;裁弯使下游河道纵向流速沿横向分布趋于均匀,影响程度也由裁弯点至下游逐步减弱.     

基于POM模式的感潮河段三维水动力模拟

随着工程要求的不断提高,感潮河段三维水动力的正确模拟有着十分重要的意义.同时,美国普林斯顿大学开发的海洋模型POM已经逐渐应用于我国海湾潮汐流的数值模拟中,并得到了进一步的修正和完善.本文基于POM模式,利用明渠垂向流速分布的经验公式分析了三种紊动黏性系数计算方法对流速的影响;结合前人对POM模式的修正工作,建立了感潮河段的三维水动力模型;将该模型应用到长江下游太仓段的计算中,结果表明,基于POM模式建立的感潮河段三维水动力模型的计算值与实测值拟合较好,能够充分反映感潮河段水位以及水流流速随时间的变化情况.     

非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程

天然河流中泥沙由非均匀颗粒组成，泥沙的非均匀性对于水沙运动和河床演变过程具有重要影响。然而目前非均匀悬移质泥沙研究中很少考虑不同粒径颗粒相互作用，颗粒相互作用对非均匀沙悬浮的贡献仍不明确。本文旨在建立非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程，其可反映非均匀泥沙悬浮的主要力学机制。首先，基于固液两相流理论，建立非均匀沙挟沙水流的两相流方程，充分考虑不同粒径颗粒相互作用力，并推导挟沙水流两相浑水方程以避免相间作用耦合复杂的问题。其次，为封闭两相浑水方程，引入弥散速度的概念，建立非均匀沙各粒径组弥散速度本构方程，揭示非均匀沙悬浮本质上是浑水紊动、颗粒自身作用、其他粒径颗粒作用三种作用共同影响的结果。最后，基于非均匀沙弥散速度本构方程得到非均匀悬移质泥沙的输沙方程，分析非均匀沙浓度垂线分布规律，将其应用于明渠恒定均匀流中，计算的非均匀沙浓度垂线分布与实验数据能较好地吻合。相对于均匀沙公式，在浓度相对较高、粒径差异大的条件下，非均匀沙公式的计算值与实验值符合得更好，进一步验证了非均匀沙弥散速度本构方程能够从力学本质上反映不同粒径颗粒相互作用对颗粒悬浮的影响机制。     

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。     

挖粗沙减淤在三峡水库中的数值模拟研究

＂固定河段挖粗沙＂是水库可行的减淤方式之一。以三峡水库为例,利用水流泥沙数学模型研究挖粗沙后水库的减淤效果及过程。计算结果表明,在三峡回水末端设置约10km长度挖沙段进行挖粗沙（d〉0.1mm）,使水库百年淤积总量由177亿m3降至140亿m3左右。挖沙段集中拦截了入库的大部分粗沙,通过改变河道坡降、流速和挟沙力等水力条件,使库区淤积面与回水面同时降低,减淤效果延伸至整个水库,减淤效率很高。在库区设置固定河段持续清除粗沙是一种高效可靠的水库减淤方式。     

汛限水位优化调度对三峡水库泥沙淤积的影响

汛限水位优化调度在进一步充分发挥三峡水库的综合效益的同时必然影响水库淤积发展过程,进而影响航运状况。文中运用一维及二维非恒定流非均匀沙数学模型,计算分析了汛限水位优化调度对三峡水库泥沙淤积及航运的影响,结果表明,采用汛限水位优化调度方案后,三峡水库的淤积发展过程将加快,但是,在三峡水库运行的前100年内,这种淤积差别并不大。优化调度对各个河段淤积的影响程度不同,从绝对量来说,水库下段受优化调度影响最大,一度出现的淤积量差别是最大的;从相对量来说,水库变动回水区下段及常年回水区上段受优化调度的影响要明显大于下段。从变动回水区航运情况看,优化调度对铜锣峡以下河段航运的影响不大,对铜锣峡以上河段,由于受上游水库修建及来水来沙减少造成的冲刷的影响,优化调度的影响也并不明显。     

从三门峡水库水沙条件变化看潼关高程

本文根据三门峡水库建库前后的水沙变化，特别是近年来沙量减少、泥沙粒径变细，以及近年来入库水量尽管大量减小，而三门峡库区河道及潼关以上相当长度范围河段比降并没有明显增加的事实，说明水沙条件变化不是导致近期潼关高程居高不下的唯一原因。分析降低潼关高程的可能性时，必须全面分析这些因素的变化。单独强调目前入库水量减少而否定潼关高程降低的可能性是不正确的。即使在1986年以后入库水量大量减少的条件下，库区、渭河下游和小北干流下段仍然属溯源淤积性质。溯源淤积的根源是下游壅水。所以，降低潼关高程的必要条件是降低三门峡水库的运行水位。     

明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究北大核心CSCD

明渠自掺气现象常见于水利工程,当水流流速较高时,空气在较大的紊动作用下会扩散至水槽底部形成明渠完全掺气水流,水流掺气对水力特性有较大影响。目前对掺气的研究大多通过模型试验,而模型试验又存在难以忽略的缩尺效应。本文采用混合模型、紊流模型和浓度方程建立了一套水气二相流数值模型,利用有限差分方法进行离散求解。采用明渠自掺气试验对该数值模型进行验证,掺气浓度和水流流速的数值模拟结果与试验数据吻合良好,说明本文建立的数值模型能有效地模拟明渠完全掺气水流水力特性。进一步研究发现,对于明渠完全掺气水流,掺入水体的空气受强烈紊动作用可以到达水槽底部,使得壁面对掺气水流阻力作用减小,造成掺气水流流速明显大于相应非掺气水流流速。     

黄河下游游荡段非均匀悬沙输移特点

黄河下游水流含沙量大,河床调整迅速,河道输沙能力变幅大,输沙过程与规律复杂.因此研究黄河下游泥沙输移规律,是研究河床变形过程、预测河道发展趋势的基础,对水沙治理与河道整治规划具有重要的现实意义.本文以黄河下游游荡段为对象,基于1986-2015年游荡段实测水沙资料与地形资料,分析了花园口-夹河滩河段与夹河滩-高村河段的...     

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态，弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用，产生复杂的水动力结构，影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道，与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异，为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性，本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值（LES）模拟研究，结果表明：零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀，回流区范围最大，在大宽深比弯道中，回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱，主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠，大宽深比情况下，主流核心区集中在弯道中线附近0.5 ~ 1倍水深范围，随着宽深比增大，弯顶附近涡量绝对值增大，对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低，紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样，均受二次流影响，主流区中心紊动能最小，主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。     

河道斜交桥墩壅水特性数值模拟研究

跨河桥梁因桥墩阻水引起上游河道壅水,影响泄洪;目前桥涵水文学对于桥梁-河道正交情况的壅水计算已形成大量实用成果,河道斜交的桥梁水流结构更为复杂,已有理论和经验公式对斜向因素影响规律总结不足。建立模拟桥墩壅水的二维水流数学模型,实验验证后,数值模拟研究了斜向布置桥墩绕流水动力结构和壅水特性,分析总结了桥墩阻水比10% ~ 40%时,最大壅水高度、桥墩绕流流场结构随桥墩尺寸、斜交角度、来流流速的变化规律;模拟结果表明,在顺流向阻水比一定时,最大壅水高度随桥墩斜向角度呈先增大后减小趋势,斜交还将引起河流水流流向偏转,造成两岸流速分布的显著不对称分布。研究成果为河道斜交桥梁壅水预测和护岸工程设计提供了科学依据。     

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。