梯形明渠边界平均剪切应力计算方法

梯形断面是渠道设计中广泛采用的一种断面形式,边界剪切应力分布规律是研究水流结构及阻力特性的重要因素。经过理论推导,建立了梯形明渠床面与边壁平均剪切应力相对值随过水断面宽深比的计算表达式,并与多家试验资料进行了比较,结果表明两者变化趋势基本一致。针对梯形明渠不同边坡角下的水力最优断面,分析了其床面、边壁平均剪切应力的变化规律,发现随着边坡角的减小,床面平均剪切应力相对值变化不大,而边壁平均剪切应力相对值呈现出减小的趋势。     

河口海岸近底层潮流速分布模式初步研究

许多现场实测资料表明,潮流近底流速剖面偏离传统的对数分布。虽然偏离值可能不大,但利用对数剖面去计算河底粗糙长度和剪切应力时会引起较大的误差。有研究者的数值试验表明,如果通过流速是对数分布来估计粗糙长度和底部切应力,偏差可能超过100%(Kuo等,1996)。本文从流体动力学原理出发,利用Prandtl混合长度和Von Karman自相似理论,建立河口海岸近底层潮流速分布的对数线性模式。通过对英国大陆南部西Solent水道实测水流垂向分布进行枚举粗糙长度z0结合最小二乘法拟合,并将计算结果与传统的对数模式的结果比较,表明本文模式有以下优点:①精度高,计算值更接近实测值;②所确定的粗糙长度z0和摩阻流速u*的相关系数更高,且两者在相位上更趋一致。     

基于霍夫变换确定流速剖面参数

传统的最小二乘法拟合流速剖面存在一定的困难.利用霍夫变换抗干扰(或噪声)能力强的优点,可将干扰点(或噪声)剔除,然后用霍夫变换拟合流速剖面.当精度要求较高时,可将各拟合点到拟合直线的距离作为判别标准,对经霍夫变换剔除干扰点(或噪声)后的数据点再进行最小二乘法拟合.经过检验与应用表明,霍夫变换拟合的流速剖面比传统的最小二乘法更接近实测值.     

明渠湍流床面附近跃移层面颗粒浓度垂线分布

本文以动理学理论的Boltzmann方程为基础，考虑明渠湍流床面附近猝发喷射和清扫运动对跃移层内运动颗粒的不同作用，分析了明渠中泥沙颗粒浓度垂线分布问题，得到了适用于包括跃移层、悬移层在内的统一浓度垂线分布公式。文中着重研究了跃移层内运动颗粒的浓度垂线分布，并将本文结果与实测跃移层内浓度垂线分布及实测跃移层顶部浓度进行了对比，结果表明理论与实验两者符合较好。     

近床面区挟沙气流流速垂线分布特征

以测试参数较为齐全的挟沙气流风洞实验资料为基础，结合已有各家资料重点对近床面区挟沙气流流速垂线分布进行了系统的分析。在对近床面区沙粒跃移层内气流剪切应力分布的理论分析基础上，指出了该区的剪切应力由沙粒临界起动风速、沙粒垂直速度的垂线变化和输沙量垂线分布三者决定，并进一步导出了近床面区的挟沙气流流速垂线分布廓线方程，由该方程计算得到的结果与实测资料吻合很好，此外，研究还表明，Bagnold提出的不同风力条件下挟沙气流流速廓线聚焦于一点的观点基于正确，但这一点不宜作为跃移层内外风速廓线的分界点，实际失发界点高度是沙粒跃移层外气流摩阻速度平方的0．015倍；Owen提出的跃移层外层速廓线方程基本合理，但其中有效粗糙度公式中的系数C取值为0．04时更符合实测资料；来流速度相同的情况下，挟沙气流的摩阻速度大于清洁气流的摩阻速度。     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础.本文开展了粗化床面条件下的水槽试验,分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化,并与已有均匀沙试验进行了对比.结果表明,粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体,形成比平整床面更复杂的底部边界,粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响,颗粒在运动过程中与水...     

粗糙元对单裂隙中溶质运移影响模拟研究

裂隙的粗糙度对单裂隙中的溶质运移有着重要的影响,然而粗糙元的形状(粗糙裂隙壁面上的各种凸起/坑洼)对单裂隙中溶质运移的影响机理尚未完全清楚。该研究通过求解纳维—斯托克斯方程和溶质运移方程模拟了具有不同粗糙元形状(矩形、梯形、三角形)的单裂隙中的溶质运移,并利用稀释指数量化了裂隙内溶质的空间分布。模拟结果表明粗糙元起始处的切线方向与流线的夹角越大,则发育的涡流体积越大,引起的溶质非均匀流动越明显;对溶质运移突破曲线和停留时间分布的分析表明随着流速的增加,溶质运移逐渐由费克运移转变为非费克运移,其相应的突破曲线表现出越来越显著的"早到"和"拖尾"特征;粗糙元密度与停留时间分布的幂律拟合参数b之间存在明显的正相关关系;对于相同的雷诺数,矩形粗糙元引起的非费克行为比梯形和三角形粗糙元更显著。该研究有助于进一步完善粗糙裂隙溶质运移理论。     

粗糙表面流动与换热的数值模拟的新模型

考虑“粗糙元高度”和“粗糙元间距”两个因素的影响，对Van Drist阻尼函数进行了改进，然后将其引入边界层计算程序，对不同粗糙远间距、不同来流速度等工况下粗糙表面的换热进行了计算，结果与实验数据符合良好，说明改进后的Van Drist阻尼函数很好地反映了粗糙度雷诺数及粗糙元分布疏密度的影响，能适用于计算粗糙表面上的流动及换热。     

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。     

河道形态特征的随机分形模拟

应用随机分形理论中的一维和二维RMD模型,在给定平面区域上生成了不同分形维数、粗糙程度及分辨率的河道剖面轮廓及床面形态。结果表明:不同分形维数的河道剖面轮廓或床面形态具有相似的微观粗糙结构,且随着分形维数的增大,结构复杂程度提高,粗糙度的峰谷位置不变,但各点的幅值将发生不同程度的变化。