波浪作用下床面切应力测量初探

在前人研究基础上,进行了波浪水槽实验。采用新型热敏传感器直接测量波浪作用下床面切应力分布情况。通过分析输出电压与理论切应力之间的关系,得出传感器电压值与理论计算切应力均随时间而周期性变化,充分验证了热敏传感器在测量床面切应力时的可行性,为进一步直接测量床面切应力奠定了基础。

泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究

以长江口细颗粒泥沙为样本进行环形水槽起动试验,给出了三组不同中值粒径泥沙的起动流速和临界起动应力,同时用湍动能法(TKE)估算不同含沙量水体的床面切应力,给出了泥沙起动过程中床面切应力与含沙量之间的关系。床面切应力随着含沙量的增加而增加,当含沙量达到某一浓度后,床面切应力增长缓慢,随着含沙量的再增加,床面切应力再次迅速增高,而不同中值粒径的泥沙,增长速度并不一致,说明泥沙对床面切应力的影响并不仅仅表现在含沙量上,粒径大小也是影响床面切应力的重要因子之一。

波浪作用下的床面切应力研究进展

波浪作用下的床面切应力是估算近岸泥沙起动、输移的重要基本参数之一,其形成的底部摩阻效应也会对近岸水动力环境产生影响。由于现场观测较为困难,对波浪边界层与波浪作用下床面切应力的认识主要建立在室内试验观测基础上。回顾国内外相关理论模型和试验测量研究,梳理各类研究方法与测量技术的优缺点及适用条件;整理20世纪70年代至今的大量试验资料,对已有研究成果进行归纳分析,包括波浪非线性、波浪破碎等因素对床面切应力的影响;总结现有研究存在的局限性,提出今后的研究重点。超大型水槽是未来突破波浪边界层理论研究瓶颈的重要设施;高适应性水下二维切应力传感器的发展是复杂动力条件下床面切应力研究取得突破的关键。

边界条件对植被化矩形复式河槽流速及床面切应力的影响

在水深平均动量方程中加入了植被引起的拖曳力,给出了垂线平均流速及床面切应力的2维解析解。根据滩地植被化矩形复式河槽的断面形态特点,建立了滩槽交界面的切应力平衡方程进而提出了2种边界条件。比较这2种边界条件后发现它们的计算结果在水深较大时几乎相同,而水深较小时在剪切区内有一定差别,考虑了主槽边壁切应力影响的边界条件可以给出更好的计算成果。运用8组不同的矩形复式河槽试验资料对该边界条件的应用情况进行验证,结果发现,在各个区域选取合适的二次流系数比忽略二次流能更好地模拟流速及床面切应力分布,在各组矩形复式河槽工况中,考虑二次流可以得到较好的计算成果。

弯道床面切应力的研究

弯道床面切应力是弯道泥沙起动的直接动力,运用弯道水流概化模型试验,利用先进的ADV进行了三维流速数据的采集。弯道水面横比降与纵比降的沿程分布公式以及弯道水流纵向垂线平均流速计算方法,从理论上进一步推导得到了弯道床面切应力分布的公式。通过计算,给出了不同参数对弯道床面切应力分布的影响。研究表明,计算床面切应力的分布不仅与前人研究成果基本一致,而且更加完善和系统化,为深入探讨弯道水流特性奠定了基础。

明渠瞬时床面切应力粒子图像测量技术

床面切应力瞬时值的实验测量极为重要但富有挑战。为了利用粒子图像技术准确测量瞬时床面切应力,采用模拟不同图像和流动参数的合成粒子图片对粒子图像测速技术(PIV)、粒子图像示踪技术(PTV)和直线相关PIV技术(LCPIV)的测量精度进行分析,发现各技术在床面附近的测量精度均因床面影响而变差,其中,PIV技术受影响的范围距床面不小于判读窗口高度,PTV及LCPIV技术受影响的范围等于粒子图像半径;在床面影响范围外,PTV技术可实现无偏差测量,并在粒子图像密度较小且粒径适中时拥有高于PIV和LCPIV的精度。比较而言,PTV技术更适于测量瞬时床面切应力。将PTV技术用于雷诺数分别为8 007和11 462的明渠均匀紊流瞬时床面切应力试验测量,进一步验证了该技术无偏差、高精度测量的能力;发现了明渠紊流瞬时床面切应力不符合高斯分布,离散系数约为0.4,偏度系数和峰度系数随雷诺数增大而逐渐变大。研究结论为明渠紊流瞬时床面切应力的实验测量提供理论依据和实践参考。

植被对波浪作用下床面切应力影响的数值模拟分析

本文基于OpenFOAM建立三维波浪数值水槽,模拟计算植被水域波浪作用下的床面切应力,分析了入射波高、植被密度、植被淹没高度、水流对植被水域波浪作用下床面切应力的影响。结果表明:纯波时,由于植被的阻水作用,植被水域床面切应力沿程衰减,其衰减程度与入射波高、植被密度及植被淹没高度呈现正相关;与纯波时相比,在波浪和同向流共同作用下正向床面切应力幅值增大,负向床面切应力幅值减小;弱水流对植被水域床面切应力的大小及分布无明显影响;强水流时,床面切应力在植被水域先增大后逐渐减小并在植被水域后显著降低。

水流作用下圆柱周围床面切应力分布的三维数值模拟

该文基于计算流体动力学开源程序OpenFOAM建立三维水流数学模型,模拟圆柱周围的水流运动,分析圆柱迎流侧和背流侧流速剖面分布,通过与物理模型试验结果对比,表明所建立的模型能够较好地描述圆柱周围的水流运动。并在此基础上,分析对比了不同床面切应力计算方法模拟得到的圆柱周围床面切应力放大系数分布,获得了较为准确的计算方法。

卵石河床清水冲刷粗化层破坏临界条件试验研究

针对山区卵石河道普遍存在的床面粗化层现象,进行了水流强度连续小幅增大的清水冲刷粗化层破坏试验研究,旨在探讨粗化层破坏与水流强度之间的临界关系。试验结果表明,水流强度的增大并不一定能破坏床面粗化层,只有当水流强度增大到一定程度时,粗化层才会破坏。对于本系列试验所用泥沙,只有床面切应力大于初始粗化床面切应力的1.2倍,粗化层才会破坏。粗化层床面结构对粗化床面切应力有着重要的影响。

灌门水道水轮机阵列布置对潮流运动特性的影响

潮流能水轮机机组的运行会改变潮流运动结构,引起局部区域的水动力特性发生变化,进而影响机组的获能效率。对此,以舟山群岛灌门水道为例,基于Delft 3D软件建立三维水动力学模型,研究机组阵列交错布置对运动潮流的影响。通过网格嵌套分别模拟舟山群岛和灌门水道的潮流运动特征,采用多孔盘法模拟水轮机阵列对潮流空间结构的作用。研究表明:多排机组阵列运行之后,水轮机及下游潮流流速会显著下降,并引起垂向上转轮上、下边缘区流速增加;水轮机迎流方向水位上升,涨、落急时刻最大壅水差值达10cm;水轮机底部及机组之间的床面切应力增大,尾流影响区切应力减小;尾流叠加,床面切应力进一步减小,落急时刻尾流区的床面切应力减小量可达54.03%,阵列两侧床面切应力增大量可达177.93%。在未来的潮流能开发选址中,应全面评估布置水轮机后可能引起的潮流运动特性变化,优化阵列布置,降低对环境的影响。

水库泄流变化下河床粗化破坏特征试验研究

通过水槽试验研究了水库泄流变化对山区河流河床粗化过程的影响。研究开展了流量交替变化和流量逐级增大两种条件下的清水冲刷河床粗化试验。在不同来流条件下,测量了试验过程中的推移质输沙率和水槽断面水深,以及每阶段试验结束后的河床地形。基于衰减函数,模拟清水冲刷河床初始粗化过程的推移质输沙率。分析粗化层形成后的推移质输沙率随流量和冲刷时间的变化趋势,结合各水流条件下的床面切应力,探讨河床的冲刷粗化特点和粗化层破坏临界条件。试验结果发现:河床首次粗化对应的推移质输沙率变化过程可采用衰减函数模拟,模型可较准确地模拟推移质输沙率随时间的变化过程。对于流量交替变化阶段,每阶段出现的第1次极值流量是河床表层粗化和失稳破坏的主要驱动因子,极值流量产生的推移质输沙率总是大于小流量或第2次极值流量产生的推移质输沙率。河床表层粗化或冲刷由各阶段极值流量与河床初始粗化流量共同决定,极值流量相对河床初始粗化流量越大,河床表层冲刷粗化程度越大。对于流量逐级增大过程,当前流量下床面切应力τ与河床粗化层形成时的床面切应力τ0决定河床粗化表层变化规律;当τ<τ0,河床表层无明显变化;当τ≥1.1τ0,河床粗化层开始变得不稳定,推移质输沙率陡增。

植物对明渠水流的影响

基于理论推导及其简化处理，并结合部分水槽试验资料的回归分析，建立了明渠植树后床面相对切应力、糙率与树木因子ＦＶ之间的计算关系。

明渠非恒定流流速分布及推移质运动研究进展

明渠非恒定流流速分布及非恒定流作用下推移质运动分别是水力学和泥沙运动力学研究中的重要问题之一。近几十年来,国内外许多学者在这些领域做过很多探索,取得了一定进展,也存在较多问题。在总结相关研究成果的基础上,简述了明渠非恒定流试验方法、流速分布、床面切应力、非恒定流输沙与水流运动不同步现象、产生原因、以及非恒定流推移质输沙公式等方面的成果,指出了现有研究中存在的不足,提出了需要进一步研究的关键问题:应用先进的量测仪器,研究非恒定流作用下非均匀沙运动输移规律。

明渠减速流下床面摩阻流速研究

针对明渠非均匀流,采用立面二维数值试验的方法,并将雷诺应力垂线分布计算结果延伸至床面,以此计算减速流情况下床面摩阻流速,得到了不同壅水下床面摩阻流速的计算结果.研究表明:在壅水情况下,当流量和底坡相同时,壅水段摩阻流速随水深的增加而逐渐减小;在相同水深和底坡下,摩阻流速随流量的增加而增大;在相同流量和水深下,摩阻流速随底坡的增大而增大.为满足工程中计算的需要,根据数值试验结果拟合得到了明渠水流壅水情况下床面摩阻流速的实用计算式.

基于Fluent的海底管线附近流场分析

针对单向海流作用下海底管道附近的流场问题,通过一定的假设,将问题简化为定床条件下的二维圆柱绕流问题.采用不可压缩的N-S方程和标准kε-湍流模型,模拟了置于床面的管道附近流场,结果与实验一致;同时,很好地模拟了悬空管道后方涡旋的生成、发展和脱落过程.在此基础上,计算了不同流速和间隙比等条件下的多种工况,指出了管道附近的易冲刷区域,并进一步分析了绕流流态变化、床面切应力和管道上下游床面压差的分布特点,为防止管道附近床面的冲刷提供科学依据.

植被护坡抗冲模型试验方法与装置研究

基于模型和原体草皮冲刷破坏时床面切应力和摩阻流速应该相等原理,研制了一套可用于模拟实际河道中的大流速冲刷水流,并测定冲刷过程中植被水力学参数的试验装置.理论分析表明,水槽设计高度对植被区的床面切应力值不存在主导性影响.试验测得的有机玻璃水槽和草皮表面曼宁糙率系数值,以及试验土壤起动流速结果证明所设计的试验装置和方法是合理可行的.在此基础上进行了植被护坡抗冲模型试验,得出了草皮护坡破坏的临界水流条件.

壅水条件下水流阻力试验研究

壅水条件下的水流阻力及输沙特性,在水利工程的应用中占有十分重要的位置。对壅水条件下河道开展概化水槽试验,采用声学多普勒测速仪ADV对水流流速进行了测量,并对壅水条件下水流阻力和床面切应力等进行了分析。结果表明:壅水条件下,水流流速沿垂线分布较均匀流条件下更加均匀,当壅水程度越大时,水流流速沿垂线分布越均匀,且流速分布大致上仍服从对数率分布;壅水条件下,随着水深的增大,摩阻流速不断减小;壅水条件下河道水流阻力系数随着非均匀系数及水力半径的增大而增大;引入壅水程度指标,并拟合得到了床面切应力随壅水程度指标的变化关系式。成果可为壅水条件下水流结构特征及输沙规律的研究提供参考。

桥台局部冲刷坑内水流运动的三维数值模拟

局部冲刷是河道中丁坝、桥台等破坏的重要因素。这些建筑物周围绕流流场和泥沙运动十分复杂,对冲刷的机理及平衡条件的研究还有待于进一步深入。文中采用k-ε模型对桥台周围平衡冲坑内的流场进行了三维数值模拟,计算结果正确反映了建筑物周围的流速分和紊动动能的分布;根据流场分布分析了冲坑内的旋涡分布规律及其与冲刷的关系,阐述了主旋涡向螺旋旋涡的转化以及冲坑内水流的能量耗散机理。冲坑内的床面切应力的分布反映了床面冲刷平衡条件,数值模拟得到的床面切应力分布表明颗粒运动受到斜坡上重力作用的影响,同时在紊动剧烈的区域还受到旋涡的影响。

卵砾石河流推移质输沙率的模拟计算方法

根据山区和丘陵地区卵砾石河流的情况，提出对梅叶－彼得推移质输沙公式进行修正，使用式（８）的泥沙起动切应力公式，在分析的基础上提出粗细泥沙颗粒的隐曝系数公式和考虑水流床面切应力随机分布的计算方法，用以估计这类河流的推移质输沙率．经长江上水文站的实测资料检验与河道泥沙数模的应用，能满足工程计算的需要，取得较好效果，可作为这类河流中计算推移质输沙率的参考．

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。