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。     

沙纹床面涡量特性实验研究

沙纹的形成与水流流态密切相关,但对于其相互关系至今尚无确定的结论。采用PIV（Particle Image Velocimetry）测量设备对沙纹床面水流特性及涡量特性进行了实验研究。通过对平床与沙纹床面涡量场的比较,得到了沙纹床面的涡量分布区域。结果表明,涡量较大值主要集中在沙纹的背水坡面与迎水坡带,之外区域涡量值约为零。结论对研究沙纹的形成有积极意义。      

波浪作用下涡动沙纹床面的悬沙运动数值研究

作者建立了波浪作用下的立面二维水沙数值模 型，并对涡动沙纹床面的悬沙运动进行研究。结果表明：悬沙颗粒的沉降速度较小时，其运 动受到涡动力特性的影响比较显著。而且在沙纹波峰断面和沙纹波谷断面，半个周期里都可 以观察到两个悬沙分布的峰值，主要是由于流动分离形成分离涡，涡运动携带泥沙颗粒而出 现峰值。计算成果在一定程度反映了涡动结构对悬沙运动的影响。     

明渠沙纹床面湍流结构实验研究

沙纹的形成会显著地影响床面附近的湍流结构。论文通过水槽实验,模拟了天然河流中沙纹的形成,并针对最终形成的稳定沙纹形态,利用声学Doppler测速仪采集了沙纹床面不同位置处的高频流速过程数据,继而对脉动强度、雷诺应力、湍流动能及自相关函数等湍流特征量进行了计算,并分析了沙纹床面湍流结构和特点,为进一步的理论和数值研究提供了有价值的参考数据和依据。     

沙纹床面上波流共同作用的数值模拟

海滨地区广泛存在涡动沙纹，它很大程度上决定着波浪衰减和泥沙运动。本文建立了描述波浪、水流共同作用下底层流动特性的立面二维数值模型。模型成功模拟了波浪、水流共同作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性，文中还进一步对波浪、水流不同对比情况下的涡动力特性及分离涡尺度和紊动特性进行了讨论。     

江苏东台潮滩沙纹形态特征及其演变过程的数值模拟研究

主要研究了江苏东台潮滩下部沙纹形态特征及其主要影响因素。基于潮滩下部水深、流速、沙纹形态的观测及表层沉积物的粒度数据,分析了研究区沙纹形态特征及其与潮汐水动力条件、沉积物粒度间的关系。并建立了地貌动力学模型,模拟了不同沉积物粒度和不同水深变化条件下沙纹尺度(波长、波高)的变化和沙纹的演化过程。研究结果表明:潮滩表面主要形成尺度较小的不对称沙纹,其形态的主要影响因素是流速和沉积物粒度,在一定范围内,流速越大,沉积物颗粒越细,沙纹尺度越大。在一个潮周期内沙纹形态经历以下过程:平底→不对称性指示涨潮方向的沙纹→平底→不对称性指示落潮流方向的沙纹。     

沙纹床面水流特性研究

沙纹的形成与水流强度有密切的关系。沙纹床面的下水流特性研究一直以来缺少有力的研究成果。本文采用单点测量设备ADV(acoustic Doppler velocimetry)在实验水槽中对固化沙纹床面下水流特性进行细致研究。研究因素包括了沙纹床面下水流的时均流速、雷诺应力、相关系数等紊流特性。其成果对于沙纹的成因有积极意义。     

椭圆余弦波作用下沙纹演化的试验研究

在波浪水槽中对椭圆余弦波作用下沙纹形成及动力机制进行试验研究。采用不同粒径(0.16mm、0.4mm、1mm)的3种非粘性泥沙在相同的条件下进行试验,随着粒径的增大,泥沙越难起动,观测范围内的沙纹个数也越多,相应的尺度越小。对粒径为0.4mm的泥沙进行研究,得出沙纹波长、波高与时间成正弦周期关系。对比平底和沙纹波谷的近底剪应力,沙纹波谷处的剪应力是平底时的1.4倍。沙纹的成因不单是水流与泥沙相互作用的结果,其周期性还受反射波的影响。沙纹波陡与波浪水质点近底床水平运动方向的轨迹直径、波浪流的无量纲切应力等呈函数关系,其对称性与波浪的底部质量输移速率和水质点近底床的水平方向运动速率的比值有关,随着比值的增大,沙纹的不对称性增大。     

波浪作用下非恒定输沙规律研究进展

为了准确计算一个波浪周期内净输沙率的大小和方向,需要研究波浪作用下非恒定泥沙输移规律。介绍了过去20多年国内外学者在大型往复流水道和波浪水槽中开展的非恒定输沙试验以及原型观测结果,总结了相位滞后效应参数的定量刻画以及不同半-非恒定净输沙率模式的构建,探讨了现阶段需要着重解决的关键问题。指出未来需要重点研究不同波况(包括波浪破碎、长波、波流相互作用等)下颗粒的起动延迟或沉降延迟造成的非恒定输沙过程的动力机制,准确刻画泥沙在波浪前、后多个半周期内的交换关系并将其反映在净输沙率的计算公式中;此外还需要深入研究非均匀沙的非恒定输沙过程(包括垂向分选等),并构建相应的净输沙率计算公式。     

波浪作用下沙纹上含沙量的时变特征

对规则波、不规则波和波群作用下沙纹峰上悬移质含沙量与波浪形态的关系进行了实验研究.结果表明:在规则波情况下的波峰和波谷时刻,含沙量都出现了相应的峰值,但波谷时刻对应的峰值要大于波峰时刻的峰值;在波群情况下,含沙量对于波浪的响应主要集中在波群周期上,在短波频率上所占分量很小.含沙量的时间平均值随着调制系数的增大而减小,但其波动部分的幅值是随着调制系数的增大而增大;不规则波情况下只在大波经过沙纹峰上的时刻,才有明显的泥沙悬移现象,含沙量主要是响应于波列中波群出现的频率,这表现在含沙量能量谱的峰值对应于波浪包络能量谱的峰值.实验结果也显示了波群和不规则波波高变化导致的泥沙悬移运动的滞后现象.