AH-FBG水流流速传感器研制与试验研究

为了解决当前水流流速传感器易受电磁干扰、集成困难的问题,基于主动加热光纤布拉格光栅(AH-FBG)技术和热对流原理,研制了一种能够用于水流流速测量及流向初步识别的AH-FBG传感器.通过室内试验探究了该传感器用于水流流速测量和流向初步识别的可行性,以及加热功率对测量结果的影响.研究结果表明:AH-FBG传感器中6个光纤布拉格光栅(FBG)的温度特征值均与水流流速呈负相关关系,温度特征值与水流流速标定公式的拟合度高达0.98,可用于水流流速计算;传感器外部2组FBG可用于初步识别水流方向,利用每组中的具有较小温度特征值的FBG识别潜在迎水区,2个潜在迎水区的交集范围即为实际流向的范围;温度特征值增量与加热功率呈线性正相关关系,在一定范围内提高加热功率能够增强AH-FBG传感器对水流速度测量和流向识别的灵敏性.

示踪法测定水流流速的研究

用调和油漆作为水流的标识物，克服了其它染色剂如高锰酸钾溶液等本身的扩散作用，从而比较准确地表征了水流流速的特征；在不同泥沙含量和坡度下的测量结果表明，由于示踪剂的比重大于水的比重,示踪剂的速度可以表示水流速度；速度较小时，测量结果较准确，速度越大，时间测量难度加大，因此误差较大，示踪剂的比重和扩散系数是影响测量结果的主要因素。

入湖河道生态修复工程对水流流速的影响研究

在河流中开辟生化反应区、直接布设仿生填料净化河流微污染水体可以达到改善入湖水质、减少投资、降低能源消耗的目的。但在河道内直接布设填料势必会对河流的水动力条件及其河流原有的使用功能造成一定的影响。从填料给水流带来的阻力、流速及糙率变化等方面进行河道内直接布设生物填料对河流水动力条件的影响试验分析。结果表明,由于河道流速不大(属于缓流水体),9根/m2的填料布设密度对水流的扰动作用程度不高,填料段的糙率仅为无填料段糙率的1.08倍,不会对河道的泄水能力造成影响。

自掺气水流流速分布

本文根据前人的实验资料 ,建立了一套计算自掺气水流流速分布的半经验半理论方法。提出了掺气对紊动有抑制作用 ,从而导致近底流速指数分布中指数大于 1/ 7,并使自掺气水流的最大流速比不掺气水流的最大流速有所增大。公式的计算结果与实验数据相对比 ,结果基本一致。

海岸盐沼植物单向恒定水流流速剖面

本项研究利用室内水槽测量五种不同高度大米草冠层（ｃａｎｏｐｙ，指一定密度的植物群体）水流平均流速剖面。实验结果揭示了大米草冠层上、下水流的复杂性。另外，在冠层内出现流速反转梯度ｕｚ，导致一个次级流速最大值。大米草冠层上的水流切变流速ｕ大于冠层内的ｕ。冠层内水流切变流速的减小有利于粘性泥沙的沉积。大米草冠层通过影响底床剪切应力τｂ和水流紊动而对悬浮泥沙浓度、细颗粒泥沙絮凝体沉降速率产生作用。

镉水相暴露在鲫体内的累积分布及水流流速对镉的清除效果

为了解重金属镉在鱼体内的累积情况,给鱼体内重金属镉富集问题提供经济、安全、快速的解决方法,以我国常见养殖鱼类鲫(Carassius auratus)为试验对象,确定镉对鲫的安全浓度后将鲫暴露在含有不同浓度镉的水体中14 d,使用电感耦合等离子体质谱仪对重金属污染物镉在鱼体各组织内的累积和分布情况进行检测,之后将鲫转移至不同流速的清水中14 d,比较不同水流流速对鱼体中镉的清除效果,同时分别在暴露试验和清除试验后对鲫可食用部位进行非致癌膳食风险评估。结果显示:镉对鲫96 h的安全质量浓度为1.528 mg/L;镉在鲫鱼头和肝脏中累积较多,肌肉中较少,镉富集程度与水环境中镉浓度和镉暴露时间呈正相关;鲫肌肉、胆中的镉排出较快,而肝脏、肾脏中的镉排出较慢,在水流流速为0.1~0.2 m/s时的清除效果最佳;水体镉暴露14 d后鲫鱼头、肌肉存在潜在的非致癌食用风险,流水清除14 d后肌肉可达到食用标准,但鱼头仍具有食用风险。综上所述,鲫各组织器官对镉的累积能力及清除能力具有显著性差异,适宜的水流流速有利于鲫体内镉的排出,对于镉污染后的鲫需进行重金属的清除后才可食用。

不同工况下弯管水流流速模拟研究

采用湍流模型对直角有压弯管管流的流速特性进行了三维数值模拟,分析了直角有压弯管在不同曲率半径和不同管径情况下,入口流速不同时,各断面处水平直径上的水流流速分布情况。该模拟方法可供水利工程弯管设计人员参考。

基于双层刚性植被倾伏角度变化的明渠水流数值模拟

为了探究双层刚性植被倾伏角度变化对明渠水流特性的影响,采用标准k-Omega SST紊流模型,对双层刚性植被倾伏角度变化的明渠水流特性进行了数值模拟,结合实验实测数据,分析了测点流速变化,评价其影响因素。结果表明,倾伏角度对流速影响较大,随着倾伏角的增大,水槽内混合流速增大,在植被后形成圆柱绕流,绕流尺度随着倾伏角的减小而增大;在倾伏角度不同时,各测点的流速都经过3个拐点,呈现“增大—减小—增大”的变化趋势。在水流流经植被顶端两侧处时,湍动能k值变化最明显。同一测点,倾伏角越小时,流速受到圆柱绕流的影响越大,阻力越大,流速越小;倾伏角度与湍动能k成反比关系。

不同通航流量下连续弯曲航道水流变化规律研究

为了研究不同通航流量下连续弯曲航道水流变化规律,本文通过数值模拟计算,分析了不同通航流量下弯曲航道水流流速变化,以及不同通航流量下弯曲航道水流压力变化。研究结果表明:1)航道区和航道外附近水流横向流速随弯曲角度的变化,呈先增大再减小然后再增大趋势,相比其它弯道水流横向流速,弯道角度为95°时,水流横向流速最大;2)在不同通航流量下,凹岸侧压力始终大于凸岸侧压力,相比其它凹岸侧压力,弯道角度为95°时,凹岸侧压力最大;3)在不同通航流量下,凹岸水流最大横向流速和凹岸侧压力均出现在95°弯道顶部区域,建议船舶在该区域通航时,应提前减小航速,或在各弯道凹岸区域采取修筑丁坝等措施,减小水流流速。

不同水流流速对大叶藻移植植株存活、生长及光合色素含量的影响

在山东荣成典型潟湖—天鹅湖选取4个不同水流流速区域（6.5、8.2、11.8、24.6 cm/s）,利用枚订法进行大叶藻植株移植,监测不同水流流速条件下移植植株存活、生长及光合色素含量的变化,确定大叶藻植株移植修复海区适宜水流流速范围。结果显示,移植90 d后,各水流流速条件下移植植株全部存活;6.5~8.2 cm/s条件下移植植株地上组织的形态学指标、质量和生产力均显著高于11.8~24.6 cm/s处理组,而地下组织的各指标则在6.5 cm/s水流流速时达到最小值;移植植株各光合色素含量的变化一致,均在24.6 cm/s水流流速时达到最大值,是其余处理组的1.2~1.3倍,6.5~11.8 cm/s处理组之间无明显差异。综合分析表明,利用枚订法移植的大叶藻植株至少可以耐受6.5~24.6 cm/s的水流环境,其适宜的水流流速阈值为8~10 cm/s。

水流速度对微孔曝气充氧能力的影响机制研究

以标准氧总转移系数(KLa20)为评价指标,研究了不同通气量下水流流速对刚玉微孔曝气器清水充氧性能的影响,从气泡Sauter平均直径、液相气含率及流体力学角度分析了断面流速对刚玉微孔曝气器充氧能力的影响机制结果表明,通气量一定时,刚玉微孔曝气器的KLa20随断面流速的增加而增大;随着通气量的增加,刚玉微孔曝气器的KLa20随断面流速增加而提高的幅度逐渐减小;随断面流速提高,气泡Sauter平均直径逐渐减小,液相气含率逐渐增加;构建的清水推流条件下刚玉微孔曝气器KLa预测模型的预测结果与实测结果具有较高的吻合度,其中弗劳德数是对刚玉微孔曝气器KLa影响较大的参数。研究结果对实际污水处理曝气系统的工程设计具有一定的指导与借鉴意义。

含淹没水生植物冠层的水流时均流速分布研究进展

大型淹没水生植物冠层可以为各种水生生物提供栖息地、食物和游乐场所,同时也能通过吸收细颗粒污染物和释放氧气等净化水体、提高水质,因而对河流、湖泊和海岸生态环境的保持、修复和改善具有重要意义。其环境水动力学问题已经被全球越来越多的研究所关注,其中一个最基本的问题是水流时均流速的垂向分布,它直接关系到水流的阻力和质量输送。本文将流速分布形式分为三大类:对数分布;具有拐点的反正切和双曲形分布;以及分段叠加混合型分布。分别对这三类分布形式的主要特征和适用特点进行概括性综述,并根据形成的紊动和动量传递机理对其未来发展方向进行展望。该进展综述旨在为水流生态管理和修复工程提供基本思路指导,也方便研究者高效定位科学问题。

梯形引水渠道不同弯曲度的水流特性分析

引水干渠弯道处水流受壁面作用影响,其运动特性与顺直段有显著差别。为探究引水干渠弯曲段水流流动特性,本文以某“倒梯形”引水干渠为例,采用数值手段对比了4种弯曲度下的水面线分布、水流流速等,总结了渠道弯曲度对水流流动特性的影响规律。同时将数值计算结果与实测结果对比,证明了所建立模型的正确性。研究表明,不同弯曲度工况下特征断面水面线变化规律存在显著差别。沿着深度方向,4种弯曲度工况的垂线流速先增大,随后保持稳定,最终快速减小,计算结果与实测结果吻合度较好。

大流速水流条件下堵口复堤新技术

1998年洪水中 ,湖南省安乡县安造垸城关棉纺厂大堤发生特大管涌而溃决 ,在大流速水流下成功实现了堵口复堤 .文章详细介绍了堵口抢险措施 :第一 ,抢修垸内隔堤 ,减少垸内外水位差 ;第二 ,用钢排架填石锁口 ;第三 ,抛投“铁菱角”垫底 ;第四 ,浮吊抛投合龙 ;第五 ,防止渗漏 ,吹填复堤 .对“铁菱角”的设计、制作、抛投方法作了详尽说明 ,并总结了“铁菱角”堵口的优点 :护底防冲作用好 ,整体联结好 ,充填块石比卵石袋好 .

低流速水流小型发电机CFX数值仿真及样机研制

针对在低流速水流中捕获水流能并转化为电能输出的问题，采用ANSYSCFX流体力学仿真软件运用数值模拟的方法，建立发电机桨叶与水体的流固耦合模型，计算分析不同水流流速下的发电机桨叶的表面的压力，从而获取主轴的转矩值和理论转速，在此基础上完成发电机主要部件的选型、结构设计和试制工作。低流速水流小型发电机样机经加工现场水密测试、船模实验室测试和航标标志船现场测试等多项试验，样机水密性能良好，能够在较低水流流速下启动工作，实测启动流速为0．6m／s，该流速下样机的输出平均功率为1．28W。

非淹没挺水植被水流特性试验研究

为了研究含水生植物的水流特性,在实验室水槽中,进行了系列实验,利用玻璃棒代替水生挺水植被。玻璃棒的直径为6 mm,根据植被疏密程度和排列方式不同设置4种不同工况,利用三维激光多普勒测速仪(laser Doppler velometer,LDV)及水位计等仪器测量了不同工况下的水位分布、流速分布等。根据实测结果对植被区水面坡降、水流流速等进行了计算、分析和讨论。通过研究发现,植被区水面坡降、流速大小与植被的排列方式、疏密程度有密切关系。

明渠完全掺气水流水力特性数值模拟研究

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。

新型反弧式海塘挡墙结构越浪效果数值模拟研究

传统直立和斜坡式海塘挡墙结构在强降雨或极端风暴潮条件下难以有效阻止潮水快速爬升,对岸线建筑物及人群产生一定安全隐患。该文通过数值模拟设置不同水位高度,研究不同冲击水流流速对新型反弧式海塘挡墙结构越浪效果的影响,以评价新型海塘挡墙的越浪效果。研究结果表明,新型反弧式海塘挡墙结构在不同水流流速下的越浪效果均优于传统海塘挡墙结构,新型反弧式海塘结构具有明显导流、减能的作用。

“以深代宽”模式在区域骨干河道治理工程中的应用研究

区域骨干河道治理工程部分区段实施过程中常因沿岸部分重要构筑物迁改成本过高,河道拓浚断面无法满足规划过流能力需求,常采用“以深代宽”的模式进行处理。该模式下沿岸河道断面突变使得局部汇流集中,可能影响工程运行的安全。本文采用三维数值模拟的方式,以白屈港整治工程为例,研究了“以深代宽”模式下不同衔接长度对区域水流流速及结构的影响,并对合适的抽槽范围进行计算分析。研究结果表明:合适的衔接段长度及抽槽范围有利于优化水流结构,减小区域最大流速,保障工程的安全运行。

基于混合-浓度模型的泄洪洞内水流掺气数值模拟研究

掺气可以减免泄水建筑物发生空蚀破坏,对水利工程的安全运行至关重要。数值模拟方法具有低成本、无模型缩尺效应和可获得较全面的流场信息等优点,是目前研究掺气问题的有效方法。基于自主开发的NEWTANK数值模型,构建了混合-浓度数值模型用于研究掺气水流,通过对洞内掺气水流进行数值模拟研究发现,计算所得水流流速和掺气浓度与试验数据吻合良好,从而验证了该数值模型研究洞内掺气问题的可行性,此外还发现洞内形成了一个大的气流循环,上方逆向气流速度沿水流方向由2 m/s增大至5 m/s。研究表明:当闸门开度一定,来流水头由5 m增大至15 m时,水体掺气程度进一步加强,造成出口位置近底掺气浓度由0.006增大至0.060,掺气层厚度由0.08 m增大至0.12 m。