长江上游分汊河段不同深度水流的紊动特性研究

分汊河段水流的紊动特性对河床冲淤变化和鱼类生境有重要影响,而关于分汊河段水流紊动特性的水平分布的研究较少。为了厘清分汊河段水流的紊动特性,以长江上游部分河段为原型,开展概化模型试验,并对不同深度水流的3个方向(纵向、横向和垂向)的时均流速、紊动强度及紊动能的水平分布特征进行研究。结果表明:分汊水流在分流和汇流区域有低流速区,该区域的水流紊动较强。不同深度水流的紊动强弱与滩体水平剖面面积呈正相关关系,与河床的距离呈负相关关系;近底水流的强紊动区域较为分散;上层水流的强紊动区域较为集中。

矩形消力井射流紊动特性分析

对于深山峡谷区的水利枢纽工程,斜向进水矩形消力井的消能方案能够很好地适应狭窄地形条件,其消能效果与斜向入射水流的紊动及能量耗散直接相关。采用大涡模拟方法研究特定流量下矩形消力井射流的紊动特性,结果表明:射流方向淹没主流轴线区域主要表现为无旋运动,尺度不一、强度各异的旋转涡旋在水股周围富集(射流沿程相对涡量绝对值降幅为74%~92%)。射流前段涡旋强度较大,涡结构破碎,分布厚度较小;射流中段涡旋的分离及融合范围逐渐扩大,相邻涡旋区逐步嵌套成条状结构,涡旋强度明显降低;射流后段(偏折以后的潜射水流段)紊流涡进一步破碎、扭曲,并向周围扩散,涡旋强度进一步减小。射流紊动强度呈现明显的中心低、周围高的分布特点,射流周围紊动强度沿程分布具有一定的自相似性,射流前段和中段的水股周围紊动强度沿程逐渐增大(增幅为12%~14%),射流后段紊动强度在四周趋于均匀,但沿程逐渐减小(降幅约为28%)。射流紊动耗散主要分布在水股边缘剪切层区(动能衰减率达到83%~91%),射流前段紊动耗散不明显,携带动能仍较大,射流中段紊动耗散率沿程增大,射流后段紊动耗散逐渐趋弱。综上可知,射流涡旋及其与周围水体之间的能量交换是射流紊动耗散的主要原因,能量耗散主要发生于射流偏折前的中段区域,该段射流动能衰减超过60%。

紊动与盐度共同作用的黄河口黏性泥沙絮凝沉降试验研究

为研究多因素共同作用对黄河口黏性泥沙絮凝沉降的影响,利用盐度、温度和紊动剪切率同时可控的沉降桶,开展黄河口黏性泥沙絮凝沉降系列试验,分析并厘清了盐度和紊动剪切率共同作用对黄河口黏性泥沙絮凝沉降的影响机制;基于正态分布的多元非线性回归模型,建立了絮凝体沉降速度与紊动剪切率、盐度间的关系式,揭示出絮凝体沉降速度和粒径均随着紊动剪切率和盐度的增大呈现先增后减的规律。试验研究发现,黄河口泥沙最佳絮凝条件为紊动剪切率13~15/s、盐度7‰~10‰。研究结果有助于更好认识黄河口黏性泥沙颗粒的絮团发育和沉降过程。

粗糙床面坡面流流场及紊动特性试验研究

应用粒子图像测速技术对水深为5~8 mm的粗糙床面坡面流流场进行了详细观测,对试验资料进行了时间-空间双平均处理,结果表明:在低淹没度的床面糙率影响下,坡面流流速分布基本符合对数-尾流规律,其中卡门常数与普通明渠流一致,但尾流函数常数明显偏小;相较于光滑床面,粗糙元增强了水流流向的紊动强度,同时致使紊动强度在水深范围内的分布更趋均匀;水流切应力分布以雷诺切应力为主导,粗糙元引起的形状切应力可以忽略不计;水流的空间波动主要存在于床面附近,但流速的空间波动强度与紊动强度相比普遍偏小。

长江口盐和泥沙密度分层对垂向紊动扩散的影响

为研究河口水域盐和泥沙的垂向密度分层对垂向紊动扩散的影响,基于长江口北槽12.5 m深水航道南侧的实测水沙盐资料,分析长江口北槽水域的盐度及含沙量垂向分布特征,并利用Richardson数和PP81方案的零方程模型计算垂向紊动扩散系数,研究北槽水域盐和泥沙的垂向密度分层对垂向紊动扩散的影响。结果表明:盐和泥沙垂向密度分层影响下,长江口北槽河段沿程水体的垂向紊动扩散系数由近底层向近表层增大,水体中盐和泥沙等物质的垂向密度分层在北槽中下游河段对水体垂向紊动扩散产生较为明显的抑制作用;盐的垂向密度分层对水体垂向紊动扩散系数的抑制影响程度为大潮小于小潮、涨潮大于落潮;泥沙垂向密度分层的抑制影响为大潮大于小潮、涨潮大于落潮;盐的垂向密度分层是抑制水体垂向紊动扩散的主要因素,清水和盐水条件下的垂向紊动扩散系数比值最大可达5;泥沙的抑制作用相对较弱,清水和浑水条件下的水体垂向紊动扩散系数比值最大为2,垂向紊动抑制影响最大区域出现在近底层;盐和泥沙综合作用下的垂向密度分层,对物质垂向紊动扩散抑制程度更为明显,抑制前后物质垂向紊动扩散系数的比值在北槽中段的近底层达到最大值(约22)。

明渠水流挟沙力与紊动特性相互关系的简化分析

过去有关明渠水流挟沙力的研究均采用了维利坎诺夫或张瑞瑾的能量平衡观点,通常将挟沙力S_(v*)表达为无量纲参数U^(3)/(ghω)的线性或幂函数。目前对挟沙水流能量变化机理的认识仍然有限,基于能量平衡的挟沙力分析方法还有待完善。通过考虑明渠水流的紊动特性,提出了一种挟沙力分析的简化方法。所获得的公式结构与前人的结果基本一致,即S_(v*)与U^(3)/(ghω)和f^(1.5)呈线性关系,其中f为阻力系数。通过引入表征水流紊动的特征参数,该方法可推广应用于高含沙水流和非均匀流等复杂情况。

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。

冰盖下水流紊动特性试验研究

河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明:完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。

薄环-紊动射流小孔挤压油膜阻尼器压力特性

为研究单层弹性环式挤压油膜阻尼器(elastic ring squeeze film damper,ERSFD)的油膜压力特性,建立薄环-紊动射流小孔模型。通过平面薄环弯曲理论和普朗特边界层理论分别计算弹性环变形和阻尼孔出口净流速;分析弹性环柔度、阻尼孔直径及进动角变化对油膜压力特性的影响,并开展外腔油膜压力多转速测量试验。结果表明:外腔油膜压力随弹性环柔度的减小而下降,但随阻尼孔直径的减小而增加;对于内腔油膜压力,阻尼孔直径的影响与外腔相似,但减小弹性环柔度导致压力增加。试验表明,外腔油膜压力在不同转速下均同步方位角周期变化,而高转速时,压力幅值略有增加。

含挺水植物和沉水植物水流紊动特性

在一定的水动力条件下,不同水生植物对水流结构改变的程度及对底泥再悬浮的影响由于其形态结构的差异有所不同。在玻璃水槽中铺设太湖底泥并种植天然沉水植物(水蕨)和挺水植物(菖蒲),通过水槽实验,用三维声学多普勒流速仪ADV对植物段紊流特性进行测量研究,分析含水生植物明渠水流的水力特性及底泥再悬浮规律。结果表明:含沉水植物和挺水植物明渠水流的垂向流速分布各自遵循不同的规律;其紊动强度和雷诺应力具有明显的各向异性特性;在沉水植物冠层交界处及挺水植物的茎杆和枝叶分叉处,紊流强度及雷诺应力均出现最大值;在一定条件下沉水植物和挺水植物均能抑制底泥再悬浮,但当雷诺数达到一定数值时,水生植物的存在反而加剧了底泥的再悬浮,与挺水植物相比,沉水植物对底泥再悬浮的抑制效果要更好。

波浪—水流共同作用下的紊动边界层数值分析

本文利用ｋε方程求解了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊流边界层的紊动结构． 分析的结果表明：在边界层内， 波浪和水流的耦合运动不是简单的线性迭加， 而是呈非线性特性． 波浪的存在在很大程度上影响了水流的流速分布， 然而， 水流对波浪的流速分布影响却很小． 数值解与实验结果吻合较好， 在不引入涡层粘度假设的情况下， 给出了粗糙床面上波浪、水流联合作用下紊动边界层的结构特性．

高含沙水流紊动能量转化与耗散规律

基于两相挟沙水流紊动能量平衡方程,推导得出了紊动能转化率kt,表达式以及泥沙悬浮效率系数es表达式。通过应用室内水槽平衡输沙试验实测数据,分析了紊动能转化率kt与有效雷诺数Rem之间关系,并探讨了紊动能转化率kt、泥沙悬浮效率系数es和泥沙悬浮功Es等表述能量的三大特征值随含沙浓度的变化规律,得出了在高含沙水流(Sv≥0.15)情况下kt、es和Es三者均随着含沙量的增加而呈现减小的变化规律,表明泥沙含量的增加不会给水流增加额外的能量负担,高含沙水流这种特有的紊动能量转化与耗散规律,为黄河具有“多来多排”的输沙特性找到一定的理论依据。

挟沙水流紊动扩散系数的研究

本文通过理论分析，得到剪切紊流中紊动粘性系数υｔ（紊动扩散系数）沿水深服从Ｆ分布，用于计算悬移质含沙量沿垂线分布与Ｒｏｕｓｅ公式、张红武公式一致，规律符合实际，可用之于紊流计算与分析．

不同坝型丁坝坝体周围水流紊动特性试验研究

通过水槽试验,结合理论分析,研究丁坝附近水流紊动强度沿水流方向、水深方向和横向的分布规律。绘制5种不同坝体结构形式其周围水流脉动动能和紊动强度的分布等值线图并分析分布规律,进一步探讨不同坝体挑角对丁坝附近水流紊动强度和脉动动能的影响。

密排粗糙床面明渠水流的紊动特性

为揭示密排粗糙床面对明渠水流紊动参数的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了加糙后紊动强度、雷诺应力和紊动能等参数的变化特征。结果表明:床面粗糙对紊动参数的影响主要体现在内区,而外区紊动参数的变化相对较小。加糙后纵向和垂向紊动强度相对值u’^+、v’^+在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re_*越大,v’^+越大,而u’^+越小;床面粗糙对内区水流有抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用;床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向。加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。不同工况紊动能相对值E^+在内区差异明显,随着相对水深η的增大,E^+差异逐渐减小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大,内、外区紊动能变化与床面粗糙抑制水流纵向紊动强度和加强质点垂向混掺作用等因素有关。

闸下应用废旧轮胎消能防冲的水流紊动特性

使用废旧轮胎对海漫进行柔性加糙,是提高消能防冲效率的有效方法。通过水工模型试验,量测了加糙后三维流速的分布情况,并计算出水流质点的三维相对紊动强度和雷诺应力,分析其变化特征。结果表明:海漫加糙后,表层水流的紊动强度和雷诺应力最大,两者具有相似的分布特征。

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性,以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象,基于室内概化模型试验,采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示:宽窄相间水槽中,扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度,最大值位于0.2倍水深处;扩散段两侧坡脚处紊动能最大;侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内,中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处;扩散段内水流紊乱,两侧出现旋涡和涡脱,易造成侧壁侵蚀加强,引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性,可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。

矩形水槽中梯形边墩水流紊动特性试验研究

采用声学多普勒流速仪ADV,对矩形水槽中梯形边墩周围水流紊动特性进行系统的试验研究,并对紊动强度3个方向分量进行了较深入的分析。根据试验数据,通过对柱体周围不同垂直面上紊动强度的分析对比,得出行进水流受到边墩的影响程度,在柱体上游,受到柱体挤压,紊动强烈;在柱体下游,水流从柱体分离,形成逆向回流,紊动强度增大,垂向紊动强度很小,可以忽略。实验可为研究水流紊动结构及桥梁梯形边墩的紊动特性提供验证资料。

明渠近壁区水流的紊动特性分析

根据ADV采集的试验水槽中的三维流速,运用紊流统计理论,从流速概率分布、紊动强度、雷诺应力和紊动动能概率分布方面,对明渠近壁区水流的紊动特性进行了分析。可得:在近壁区,横向、纵向分流速及合成瞬时流速的概率分布与正态分布相似,而垂向上则偏差较大;横向的紊动强度和雷诺应力的分布形式与纵向相似,值略小,垂向趋于一个常数;利用试验数据统计得到的紊动动能概率分布与同性均匀湍流条件下理论推导的概率分布进行了对比,说明三维流场结构下,紊动动能的概率分布更符合卡方分布。进一步根据紊流的三维紊动特性,指出应该根据水流涡团运动在方向和大小上的瞬变性,从三维方向上考虑泥沙起动时的受力。

潮流紊动特性试验研究

开展潮流的紊动特性研究,对于了解潮汐水域泥沙及污染物输运机理、保护生态环境具有重要意义。本文通过水槽试验系统全面地研究了潮位正弦变化的往复流紊动特性随潮变化规律,以100 Hz的高采样频率连续采集主流区测点三维瞬时流速,根据移动平均法及最小二乘原理计算时均流速过程曲线,据此分析了紊动强度及雷诺切应力随潮变化规律、特征潮时概率密度分布与正态分布的差异,以及脉动流速的紊动能谱。研究结果表明,水流纵向流速随潮近似于正弦规律变化;纵向、横向与垂向的相对紊动强度在转潮阶段出现峰值;涨急与落急时段,与纵向脉动流速相关的雷诺切应力相对较大,纵向与垂向脉动流速概率密度分布偏离正态分布;特征潮时的脉动能谱密度均随频率增大而减小,水流能量主要集中在10 Hz以内。