基于河流阻力参数与活动指标的河型判别法

冲积河流在行进过程中受阻力作用,河道断面形态及平面形状参数将作调整,以适应不同的水沙条件,并趋向河流的相对平衡状态,由此导致不同河型的产生。决定河型两个主要因素：一个是水流推动力,一个是河流活动性。河流水流所受到的阻力与河流水流推力,是一个问题的两个方面,是作用力与反作用力。基于河流阻力规律,考虑植被对河岸强度的影响,通过引入河床与河岸活动指标构成的河流活动指标,分析得到了表征河型变化的判别标准曲线,经模型小河资料和天然河流资料检验发现,提出的河型判定参数能够很好地区分河型类别。     

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。     

有压输沙管道脉动压强特性试验研究

壁面脉动压强是工程上重要的研究对象,脉动强度直接影响泄洪排沙洞、输水隧洞(管道)等建筑物的稳定性和运行安全。为研究不同含沙浓度对壁面脉动压强特性的影响,以黄河细沙(d50=107μm)为研究对象,在直径80 mm的水平管道中进行模型试验,测量出每种工况下的流量、含沙浓度和脉动压强。采用统计方法对测量数据进行多方面分析,并结合快速傅里叶变换(FFT)方法研究了脉动压强的功率谱密度。试验结果表明,时均压强的沿程幅值和瞬时峰值压强均随含沙浓度增加而增大,相对脉动强度随着含沙浓度增大总趋势是减小的;脉动压强概率密度为脉动压强均值接近于零的正太分布,随着含沙浓度增加分布形态从瘦高型发展成矮胖型,压强振幅变大;脉动压强功率谱密度中低频分量随着含沙浓度变大有明显的增加。     

复式断面明渠浅滩水深及雷诺数对湍流结构影响的大涡模拟研究

天然河流主槽和滩地间存在复杂的水体交换和混掺。利用大涡数值模拟(LES)研究复式断面明渠浅滩深度和雷诺数对湍流结构的影响,研究结果表明:明渠二次流强度和脉动强度在主槽浅滩深度比为1/2时最大;滩槽交界区二次流对顺流向流速结构有较大影响,并使紊动能发生重分布;复式断面明渠二次流强度和脉动强度随着雷诺数的增加逐渐增大并趋于稳定。     

正弦派生曲线弯道水流结构特征实验研究

探究窄深型弯曲河段三维水流结构,使用声学多普勒流速仪(ADV)对正弦派生弯道水槽中40个断面12160个测点三维水流数据进行加密测量研究,研究结果表明:弯曲岸壁形态改变了水流结构特征,曲率为0断面附近区域为水流动力轴线在左右两岸摆动的过渡区;在左右两岸侧,纵向流速沿程波动分布,波动周期相同相位相差180°,且在凹岸处存在小流速区;各断面存在中心区近底主环流和近岸近水面反向小环流,部分断面近岸近底还出现与中心环流同向的小环流,环流强度最小值出现在各弯段弯顶附近。实验数据可为连续多个弯道数值模拟提供数据验证参考。     

具有复杂计算域的三维非静压流动数值模拟

建立了基于非结构化网格的表层静压假设的三维流动非静压数值模型。模型中采用半隐式分步法求解Navier-Stokes控制方程。运用满足自由表面运动学边界条件的水位演化方程来计算自由表面,动量方程中的对流项和水平扩散项采用Semi-Lagrangian方法离散。模型能有效求解正压的、斜压的、静压和非静压三维流动问题,并具有质量守恒、无条件稳定等优点。通过孤立波在缓变底坡上的传播和渤海潮流运动两个算例对模型进行检验,通过数值计算结果和实测结果的比较,验证了模型能够准确的模拟具有强三维流动特性的自由表面流动问题的能力和具有良好的复杂边界适应性。     

明渠砂质床面桩柱冲刷与导流防护试验研究

为了研究明渠砂质床面桩柱冲刷的水沙动力机理,分析极限平衡冲刷深度和范围随水流雷诺数的变化规律以及抗冲刷导流防护措施的效果,利用动床模型水槽试验,再现了桩柱周围局部床面从平整发展到冲刷坑的发育过程,测量了各工况下冲刷坑的形态参数,并利用PIV技术观测粗颗粒泥沙局部悬扬运动。结果表明:桩柱冲刷范围(相对于桩径D)随雷诺数ReD增大呈减小趋势。当雷诺数ReD在4 500~18 000之间变化时,冲刷深度变化范围为2.4D~1.3D,冲刷坑半径变化范围为4.5D~2.5D。砂质床面桩柱冲刷除存在显著的推移质运动外,还存在局部粗泥沙颗粒悬扬,且悬扬输沙的范围和强度随冲刷坑发展而强烈变化。在桩柱后方设置导流板能够有效抑制柱后卡门涡街的生成,桩后冲刷深度最大减小幅度为27.7%,但对柱前冲刷深度的影响不大。     

入湖三角洲形成过程与淤积形态变化的实验研究

入湖三角洲的形成和发展过程是冲积河流演变的重要组成部分，三角洲尾闾水道生成、地貌演变机理更是河流动力学研究中的重点问题。利用自然模型法对入湖三角洲形成与形态发展过程进行模型试验，通过改变上游来沙和下游水位探究不同边界条件对三角洲平面形态、纵向推进、横向展宽及垂向抬高的影响。三角洲堆积体先呈舌状推进，随后随朵体的生长而变化，其长宽比先迅速增大后逐渐减小。上游来沙量越大，三角洲长宽比越小，下游水位越高对三角洲尺寸抑制越明显。三角洲纵向推进和横向展宽都呈现先迅速增长，后进入相对平稳期，并出现“台阶式”增长的趋势。来沙越多，横纵推进速度越快，越早出现突变式的增长。水位越高，三角洲越早以较小尺寸进入平稳期，突变周期越长，增长值越小。泥沙主要落淤在三角洲中下游，但较多来沙量会促使泥沙淤积在上游，并使上游河槽深度减小，中下游横截面坡度增大，三角洲整体纵向坡度也增大。     

无黏性沙质床面上冲积河湾形成和演变规律自然模型试验研究

采用无黏性中粗沙进行河流演变的自然模型试验,通过调整流量、初始河道形态等在室内模型河流中进行河湾塑造的尝试,分析冲积河流河道展宽规律,另外对典型河湾的演变规律进行试验研究。研究表明,河道的横向稳定性是河湾发育的重要条件,试验中泥沙抗冲能力的低弱使得河岸的稳定性难以保持,致使河流向分汉、游荡和辫状河型的方向发展;河岸后退的方式不但与河岸土体抗冲能力有关,而且与当地河道水动力特性和河岸坡降等因素有关;河道展宽速率反映了河流断面与水流条件不相协调的程度,随时间呈指数下降趋势,河流横断面演变所需的时间尺度远小于横向摆动所需的时间尺度;典型的河湾形态以局部扰动引起河岸失稳的方式横向发展。     

渗流作用下的岸坡非均匀沙起动

在考虑渗流作用、泥沙组成的非均匀性、泥沙之间的相互影响等使得泥沙起动具有随机性的影响因素基础上,对岸坡上的泥沙进行受力分析,采用滚动平衡方式推导了岸坡上泥沙起动流速公式,并采用实测资料对此进行验证,计算值与实测值较为符合。