双层环境中圆桩柱对斜坡异重流动力特性影响的试验研究

利用开闸式异重流水槽试验,结合高速相机和粒子图像测速技术,量化不同强度双层环境中圆桩柱对斜坡异重流传播模式、速度与涡度场、波流作用等宏微观特性的影响。试验结果表明:在低理查森数Ri_(ρ)环境中,圆桩柱的存在抑制了异重流混合层厚度的增加,但延展了其在流向的长度;在高理查森数Ri_(ρ)环境中,圆桩柱打破了侵入流在密度跃层处对称的传播模式,并促进了异重流与环境流体的剪切过程。当内波弗劳德数Fr> 1时,产生锁定波,异重流头部出现强漩涡,在密度跃层产生有利压力梯度使内波尺寸增大;当内波弗劳德数Fr <1时,振荡产生发射波,波谷与异重流头部相互作用而使波形变平整;当内波弗劳德数Fr≈1时,锁定波和发射波并存。在低理查森数Ri_(ρ)环境中,圆桩柱的存在导致波流耦合作用减弱,而在高理查森数Ri_(ρ)环境,波流耦合作用反而增强。

粗糙底床对持续入流式异重流掺混和湍流特性的影响

在自然环境和水利工程中,异重流现象广泛存在.现实工况中,大多数底床覆盖砾石及不同粒径大小的泥沙颗粒,可视为粗糙底床,因此研究异重流流过粗糙底床的动力学特性具有实际科学意义及工程应用价值.本文利用持续入流式异重流水槽试验,综合考虑底床粗糙度和异重流初始质量分数,分析异重流头部位置、头部速度、掺混系数等扩散特性,不同断面的湍流强度及雷诺应力等湍流特性,结合雷诺应力法和湍动能法计算底床剪应力.结果表明:异重流头部速度与底床粗糙度呈负相关,与初始质量分数呈正相关;在高粗糙度、高初始质量分数工况时,底床粗糙度是控制其运动特性的主要因素;当粗糙度增加到一定程度时,异重流纵向时均流速剖面(沿水深分布)的峰值点出现“爬升现象”;湍流强度剖面(沿水深分布)出现一个极小值及两个极大值,其中纵向湍流强度是异重流湍流结构的主导,粗糙底床上的垂向湍流强度相比于光滑底床增加幅度明显;靠近底床附近,雷诺切应力为正值,远离底床区域,雷诺切应力为负值;利用湍动能法计算的底床剪应力均小于同粗糙度下的雷诺应力法;在总体理查森数相同情况下,异重流掺混系数与底床粗糙度呈正相关.最后总结出粗糙底床对异重流的主要影响为:摩阻力增加、掺混作用强化、近底床区域密度重分布、湍流边界层变厚及纵向时均流速剖面峰值点“爬升现象”的出现.

双重障碍物对开闸式异重流运动特性的影响

异重流现象广泛存在于自然环境和水利工程中。现实工况中,底床设置障碍物是抑制异重流侵袭的有效手段,因此研究障碍物对异重流运动特性的影响具有实际工程价值。采用开闸式异重流实验,对比不同障碍物间距及高度对异重流最大扩散高度、头部速度等方面的影响,从而得到双重障碍物最优工程布置方案;分析异重流在障碍物上下游区域的速度剖面及其越过障碍物时的涡度场;对比无障、单一障碍物、双重障碍物工况对异重流掺混系数的影响。结果表明,双重障碍物最优布置方案为第一障碍物高于第二障碍物,障碍物间距要尽可能大,但应保证异重流遇到第二障碍物之前未恢复典型头部形态;在双重障碍物上游区域,异重流速度剖面出现畸变,畸变范围大致与障碍物等高,主流速度衰减明显,在障碍物下游区域,完成形态重塑的异重流,其速度剖面均存在明显的壁面区和射流区;相对于无障和单一障碍物工况,流经双重障碍物的异重流厚度明显变小;越障前后,异重流掺混系数呈现“M”型分布,越过第二障碍物后异重流的掺混速率明显大于第一障碍物。结果可为防治异重流灾害及保证水利工程安全等领域提供参考。

刚性植被对沿坡运动泥沙异重流动力及湍流特性的影响

开展一系列开闸式斜坡泥沙异重流水槽实验,采用高速相机记录异重流发展过程,并利用声学多普勒流速仪(acoustic doppler velocimeter, ADV)获取泥沙异重流的速度、浓度及湍流结构,探究刚性植被对异重流运动特性的影响。实验结果表明:随着植被高度的增大,泥沙异重流的头部与尾部发生分离,且植被高度对异重流头部速度削减作用的重要性大于植被密度;受植被作用的影响,异重流速度剖面的峰值位置和峰值大小均发生改变;此外,由于植被与异重流相互作用产生的湍流,使异重流的泥沙浓度剖面发生改变,并使悬浮于流体中的泥沙颗粒向上输运。本研究的结论对自然环境保护、水下工程建设等生产实际问题提供重要的科学依据。

层结环境下刚性植被群对异重流影响的数值模拟

利用FLUENT软件模拟了层结环境下开闸式异重流通过刚性植被群的演变特性,使用二维大涡模拟,并结合用户自定义函数加入植被阻力效应,对异重流的头部速度、瞬时卷吸常数、势能转变,动能剖面变化等与环境水体层结度、植被群高度的关系进行相关分析。结果表明:层结环境会使异重流头部后期产生中性层入侵,但植被的存在会抑制此现象;在运动初期,异重流在低层结度环境时的头部速度比在高层结度环境的大,经过转变点,此趋势相反,而植被的存在会延迟这个转变点的出现,且转变点的出现随植被高度的增加而滞后;层结环境和植被都会抑制异重流的卷吸,但当这两种因素同时存在时,植被对异重流掺混抑制的影响起主要作用。异重流运动过程中,势能早期主要用于维持异重流前进,经过转变点后,大部分势能主要被不可逆掺混消耗,且植被和层结环境会将这个转变点提前。相同层结环境下,植被越高,异重流与环境流体间不可逆掺混引起的背景势能越不占优。层结环境会抑制断面处动能的多次波峰现象,但植被会促进该现象的发生。

圆桩柱对斜坡异重流动力特性影响的研究

为探究圆柱桩对斜坡异重流动力特性的影响,开展一系列开闸式斜坡异重流的水槽实验,通过高速相机记录异重流宏观传播过程,并结合粒子图像测速(PIV)技术量化局部流场特性,分析不同圆柱桩的高度及倾斜角度下异重流的运动.实验结果表明:流经圆桩柱时,异重流头部逐渐抬升,尾部加厚;圆桩柱改变了异重流展向扩散模式,使其前缘分布更加不均匀.异重流流过圆桩柱产生的马蹄涡及尾流漩涡会提升整体卷吸系数的峰值,并使异重流在交界面处的涡旋结构变得更加复杂.异重流的中心区是涡旋生成和发展的核心位置,圆桩柱的高度决定异重流的越流形态,从而影响涡度场的分布.圆桩柱提高了局部湍流强度,圆柱桩变高,异重流湍动能的峰值会随时间前移.对于非浸没式圆桩柱,倾斜角度降低了桩前区域异重流的湍流水平,并且桩后的湍动能随时间由单峰态演变为多峰态.

基于物联网的城市桥梁安全监测管理系统的研究与应用

城市桥梁是组成城市基础设施的关键部分,其服役期间的正常运维是桥梁工程领域的研究重点。传统的桥梁安全监管方式大多是针对单一桥梁布设传感器进行健康状态评估,鲜有对城市桥梁群建立监测、预警、处置、反馈全流程的多部门协作监管系统,并且现有系统存在开发技术老旧、可扩展性不佳等缺陷。基于此,本研究的物联网架构采用感知层设备和卫星监测系统以及对应的网络层传输技术,在云平台部署前、后端应用及数据库等服务器,构建了功能全面、交互友好、流程清晰的PC端城市桥梁群监管系统和移动端巡查上报小程序。监管系统实际应用于浙江省杭州市余杭区700余座桥梁群中,实现了对城市桥梁群的数据采控、智能分析、预警派单、巡检反馈全流程监管,充分验证了系统设计的合理性和应用可行性,对后续桥梁监测管理系统的研究与开发具有良好的借鉴意义。

异重流在不同粗糙底床上运动特性的实验研究

进行一系列开闸式异重流水槽实验,考虑三种不同底床粗糙度对异重流运动特性的影响.通过高速摄像机拍摄异重流的运动过程,并利用粒子图像测速技术(PIV)记录局部流场结构.结果表明:异重流运动过程分为滑塌阶段和自相似阶段,底床粗糙度可以改变异重流的运动状态,尤其是通过底床附加阻力降低异重流头部速度并迫使其更早进入自相似阶段,但是对滑塌阶段速度影响不显著.异重流的弗劳德数在滑塌阶段变化不显著,而在自相似阶段呈现递减趋势;掺混系数随头部位置和理查德森数增大均呈现递减趋势,而粗糙底床可以加强掺混,增大掺混系数.异重流上界面与环境水体掺混形成正涡度带,下界面由于底床无滑移条件和底床流场结构的多方向性形成正负涡度带交错的现象,并且异重流剖面速度峰值会出现抬升现象.

刚性植被群对层结异重流动力特性影响的研究

该文使用三维大涡模拟模型,对双层密度层化异重流流经刚性植被群的运动特性展开了研究。使用实验数据对数值模型进行准确性验证后,以植被密度和层高比作为控制变量,对流动形态、层间卷吸和剖面流速进行了分析,得出如下结论:当层高比大于等于1.5时,异重流在传播途中会出现两个“凸起”状的流体堆积,小于该值时仅有单个“凸起”;植被会增加整体卷吸系数和层间卷吸系数,层高比与层间卷吸系数呈负相关关系,与整体卷吸系数呈近似的非单调关系;当植被密度大于等于18%时,异重流在植被区域前断面处会出现速度为负的回流现象,且植被的存在会使得该断面的峰值流速上升至植被高度附近;而在植被区域间断面处,植被的存在导致该断面出现双峰值流速,且植被密度对第一峰值及第二峰值流速大小均具有负向作用,层高比仅与第二峰值流速呈较明显负相关关系。