非均匀散粒粗糙床面明渠紊流特性研究

为揭示非均匀散粒粗糙床面明渠紊流特性,采用d_1=1.0 cm、d_2=1.5 cm的正方体散粒制成粗糙床面开展PIV水槽明渠紊流试验,探讨了紊动强度、速度高阶矩、雷诺应力和紊动能的分布规律。结果表明:(1)粒间区中部,邻近剖面颗粒的绕流作用使紊动强度发生明显变化。(2)速度高阶矩纵向偏度系数S_(u')与垂向偏度系数S_(v')的分布特性揭示在近床处主要发生扫掠事件,而颗粒顶部以上区域喷射事件占主导。(3)平均雷诺应力R_(mean)在粒间区沿程先增大再减小,在颗粒区先减小后增大。(4)紊动能呈条带状分布,在河床底部和水面受到的抑制使得整体紊动能从床面开始增大,在颗粒顶部附近达到最大之后开始减小。

河流床面粗糙程度的度量方法研究

【目的】河流床面的粗糙程度是河流动力学中重要的研究内容。【方法】用统计分析法来量化河流床面的粗糙程度,在不考虑河床宏观起伏的前提下,用非均匀天然沙人工铺制初始粗糙床面,并逐渐增大流量使床面粗化,粗化完成后依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程。基于统计理论探究在不同来水条件下,粗化后河流床面表层的结构特性并利用床面高程统计参数及变异函数满足的理论模型建立新的床面粗糙程度度量方法。【结果】结果显示:曼宁糙率n与中值粒径的拟合关系一般,相关系数为0.649。n与标准差、众数及偏度拟合关系良好,与峰度拟合关系相对较差。n与三种变异函数球状模型典型参数都呈现出较好的相关性,剖面平均变异函数块金值与基台值和n的拟合关系优秀,相关系数均在0.89以上。【结论】结果表明:代表粒径法在某些时刻是可以用于表述床面粗糙特性的,高程数据的标准差随水流强度的增加而严格增大的特性和其众数随水流结构的增大而严格减小的特性使它们成为量化床面粗糙程度的优良指标。偏度和峰度的单调趋势使其作为床面粗糙程度的衡量指标也成为可能。块金值与基台值可以作为床面粗糙程度的表征指标。此次研究用统计法探讨了度量河流床面粗糙程度的方法,对粗糙程度的度量有一定启示。

黄河下游滩区含植物水流运动及阻力试验研究

含植物水流运动规律是研究黄河下游滩区防洪的重要内容。通过开展水槽试验,测量不同水深、比降、含沙量条件下的流速分布,研究了黄河下游滩区代表性植物作用下的水流动力特性及阻力变化规律。研究结果表明,植物在非淹没情况下,纵向流速随相对水深增加,表现为先增后减;在淹没情况下,纵向流速沿垂向呈三区“S”形分布特性;相对紊动强度的沿垂线分布特点与纵向流速基本一致,但含沙量越大,水流纵向紊动强度越小。在相同比降条件下,植被糙率随佛汝德数的增加而减小;而佛汝德数一定时,植被糙率与比降成正比;相同比降条件下的植被糙率随含沙量的增加而减小。

曼宁公式在粗糙壁面明渠流的适用性研究

为减少因糙率系数的取值不当引起的水力特性计算误差,将明渠流与圆管流进行比较,利用数值软件对粗糙壁面进行模拟,采用三维双精度的k-ε紊流模型建立一个具有沙质床面的明渠流模型,并运用相似理论对其进行缩尺实验,统计床面阻力及沙粒阻力并绘制受力响应曲线。采用加权几何平均的数据处理方式对数模计算结果分区进行分析整合,得出粗糙壁面在阻力二次方段、过渡段和阻力一次方段阶跃曲线本构关系。结果表明,曼宁公式只在阻力二次方段是严谨的,而基于受力严格推导出来的公式在阻力一次方段和过渡段上更适用。

弯道鱼类产卵场水力生境指标的空间分布

弯道鱼类产卵场是鱼类栖息地中重要且敏感的场所,基于三维水流数值模拟,以长江流域中的重要经济鱼类四大家鱼为代表,开展弯道鱼类产卵场水力生境指标的空间分布研究。结果表明:①弯道断面水面至水底方向,流速减小,最小流速接近0.19 m/s。弯道凹岸侧的流速适宜度S_(u)随水深的增加先增大后减小,凸岸侧下游出口段S_(u)较为稳定。②横向流速沿横向梯度G_(yy)与纵向流速沿垂向梯度G_(xz)在凸岸均沿程先增大后减小再增大,在河心先增大后减小。③凸岸的弯道前半段断面上,平均涡量Ω的增加速度随流量增加而加快,后半段断面Ω的增加速度趋于平缓,河心与凹岸Ω的增加速度均随流量的增加而加快。④弯道中的大部分区域较适宜鱼类产卵,流量较小时,中水层更适宜鱼类产卵,鱼类在流量较大的情况下偏好选择高水层产卵。

鱼鳞状床面粗糙特性

为探讨颗粒排列的空间趋向对床面结构的影响,人工铺制了12组鱼鳞状床面,依托激光扫描技术获得其精确数字高程,基于统计学理论与分形理论对所铺床面的粗糙特性进行分析。结果发现:鱼鳞状床面相对高程频率分布具有负偏双峰特征,主峰近似正态且较为“高大”,次峰却极为“矮小”;卵石粒径增大,各床面高程变异函数的基台值与变程均增大;床面高程方差与变异函数基台值在量化鱼鳞状床面粗糙特性方面是基本等价的;卵石粒径越大,床面高程方差越大,变异函数基台值越大,床面越粗糙,反之亦然;鱼鳞状床面二维特征方向无标度区上限随卵石粒径的增大而单调增大,其值可近似取为0.5d50(d50为中值粒径),然而同一床面各二维特征方向上的无标度区上限是大致相同的;就同一二维特征方向而言,随着卵石粒径的增大,床面分形维数基本减小,床面结构复杂性减弱;鱼鳞状床面粗糙特性具有明显的方向性,尤其是在与水流方向的角度成0、π/4与π/2的3个方向上,其粗糙特性明显不同。

床面统计粗糙特性研究

床面粗糙特性是河流动力学中的重要研究内容,其量化方法一直是研究的难点。在顺直水槽中采用非均匀天然沙铺制初始床面,并逐渐增大流量粗化床面,基于激光扫描获得的床面数字高程资料,应用统计理论以及变异函数模型探讨不同粗化程度的床面表层粗糙特性。结果表明:采用非均匀沙人工铺制的床面高程频率分布呈现出近似正态分布,经历过不同水流强度依次累积冲刷后形成的稳定粗化床面高程频率分布都出现了轻微正偏态的趋势;高程标准差随水流强度增加严格增大的特点让它可以成为量化床面粗糙特性的可靠指标;水流塑造试验床面是各向异性的,随着流量的增大,床面粗化层破坏再粗化,床面高程二维变异函数的基台值越大;由于水流的作用,横向剖面平均变异函数的基台值与块金值略大于纵向剖面高程平均变异函数,径向剖面的基台值与块金值远小于横向与纵向剖面。研究加深了对床面粗糙特性的统计规律的探索,对于建立基于统计学的粗糙度定量表达方式具有一定的启示。

含植物河道曼宁阻力系数的研究

含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁,传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则,首次提出了一系列等效水力参数的概念,建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式,并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进行水槽试验,对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论,并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性,因此具有普遍的应用价值,可以用来进行实际工程中糙率的计算。

草皮护坡水力糙率实验研究

生态护岸工程可以在保护河岸的同时对河道生态系统起到良好的维护作用，其中草本植物因其生长快、易存活成为生态护岸的重要工程材料。草皮护坡糙率实验对36组章皮试件的糙率进行了系统的实验研究。研究表明，草皮糙率的大致范围为0．020-0．090，主要与土壤类型、肥沃程度、水流条件等有关。通过实验数据分析发现：草皮糙率随生长期而增加；加筋草皮（基土中设置三维加筋材料的草皮）的糙率普遍大于天然草皮糙率。

HEC-RAS和MIKE11模型河床糙率应用比较研究

近十几年来,科学技术的发展为水流运动的数学模型研究提供了有利条件,并出现了大批商用软件。HEC-RAS和MIKE11作为最常用的一维水流模型商用计算软件,被广泛用于计算不同水文条件、工程前后河段的水流运动,并均有较好的计算结果。然而,两种软件从模型假设、建立到运行等方面存在着许多差异。本文着重以HEC-RAS和MIKE11对河道糙率的不同计算方法为出发点,利用赣江外洲至南昌段实测地形和水文资料进行计算,然后对计算结果进行比较分析,得到两种软件的联系与区别。

非均匀沙床面粗糙度的分形特征

本文在分析非均匀沙床面颗粒随机分布特性的基础上，对床面颗粒暴露度函数关系进行了分析，通过简化颗粒的排列方式，利用分形理论研究了初始及粗化床面糙度的分形特征，结合实验资料讨论了床面糙率ｎ与糙度分维数Ｄ的关系，并与床面糙率ｎ和代表粒径（ｄ５０、ｄ９０）的关系进行了比较，初步认为对于初始床面分维数与床面糙率具有更好的相关关系，而粗化床面两者代表性基本一致，为更好地研究床面糙率、泥沙起动及其输沙过程提出了一种新的研究方法．

冲积河床的河床阻力

本文利用５２０组水槽实验资料对修正的ＥｎｇｅｌｕｎｄＦｒｅｄｓｏｅ（１９８２）床面阻力公式进行了检验，该公式虽然反映了阻力变化的趋势，但公式的总体精度有待进一步提高．作者通过分析影响床面阻力的水沙因子，利用泥沙实验数据建立了新的床面阻力公式，并利用第一作者收集整理的国内外２２６１组水槽实验资料和５９２组河渠观测资料进行了检验，检验结果表明该公式的精度令人满意．

潮汐河工模型三角块梅花形加糙试验研究及其应用

通过水槽均匀流试验,研究了三角块不同粘贴方向、厚度、布置间距和水深条件下若干种粘贴方案加糙糙率.根据试验结果,推导了三角块正向、反向梅花形粘贴糙率计算式,计算值与实测值偏差在10%以内.将三角块梅花形加糙研究成果应用于长江河口段模型,模型潮位和流速均与实测值基本一致,模型能较好地复演天然水流运动规律.

黄河下游水沙变化及河床纵横断面的演变

近年来,黄河下游来水来沙出现一些新的特点,水沙的变化必然影响下游河床纵剖面和横断面的调整变化。本文利用黄河下游1960-1997年的水沙资料和1977-2002年的断面资料统计分析了黄河下游水沙历年、汛期和脉动变化特点以及主槽平均河床高程和河相系数变化特点。分析表明:1)1986年以后,黄河下游水沙量和水沙脉动量显著减少,艾山以下河流非汛期时常出现断流现象;2)黄河下游纵剖面呈S型发展;3)黄河下游主槽断面面积减小,主槽明显萎缩。

基于BP-Bayesian方法的河网糙率反演

引进BP神经网络优化Bayesian方法中似然函数的计算,得到一种新的BP-Bayesian方法,用来反演河网中各河段糙率.通过一个9河段组成的河网算例,使用本方法得到各河段糙率的后验分布和估计值,最大误差不超过3%;在测量值出现校准误差时,也能有效给出合理的估计值.BP-Bayesian方法能得到糙率估计值的概率密度分布,并从中得到有效的估计值,避免了传统优化方法容易陷入局部最优的缺点;同时,与传统Bayesian方法相比能节省大量计算时间.

弯曲河段床面分形特征及床面阻力试验研究

根据概化水槽试验的结果,引入河床表面分形维数(以下简称BSD)用于河床表面形态的量化研究,并对BSD的计算方法、弯曲河道的分形特征及BSD值的大小与床面阻力的关系进行了探讨。结果表明,BSD的大小在大尺度上能够反映河段在纵向上的深泓起伏程度和横向的滩槽差,在小尺度上能反映河床表面相对的冲淤幅度,即弯曲河段床面具有明显的分形特征,同时也说明BSD可作为河床表面粗糙高度的一种量度,从而进一步研究了床面阻力与河床表面BSD的关系,研究表明床面阻力会随着河床表面BSD的增大而增大,但对于中小水流量和大水流量,床面阻力与河床表面BSD的关系可明显的分为两个区。

基于广义逆理论的河网糙率反演研究

引入广义逆和Backus-Gilbert反演理论,构造了牛顿-广义逆方法和自然逆方法计算优化算法的搜索方向,进行河网糙率反演,并推导了两种算法反演解估计的分辨率矩阵和单位协方差矩阵.理论分析表明,牛顿-广义逆优化算法具有二阶收敛速度.在反演过程中结合Wiggins方法控制观测数据中的噪声,能够有效调节河道糙率反演结果的分辨率和方差.数值仿真表明这两种算法与Wiggins方法相结合,选取适当的控制参数,既能达到较高的精度,又能有效地抑制噪声,提高数值计算的稳定性.

壅水情况下非均匀流糙率系数研究

非均匀流的水力特性不同于均匀流,水力特性的变化有可能引起糙率的变化。本文采用数值模拟的方法,运用立面二维数学模型对壅水情况下的明渠非均匀流进行模拟,研究非均匀流情况下水力特性和糙率系数的关系。研究表明:壅水情况下,非均匀流能量损失沿程减小,但糙率系数却是沿程增大的。非均匀流中能量损失及糙率系数之间的这种关系是不同于均匀流的,这是非均匀流不同于均匀流的特点之一。根据数值计算结果,拟合得到了较为实用的壅水情况下明渠非均匀流糙率的计算式。将该式用于水库回水水面线计算得到的结果与采用均匀流糙率的计算结果差别较明显,说明采用非均匀流糙率进行水库回水水面线计算是必要的。

山区型河道一维水力数值模拟糙率确定方法

糙率参数取值是河道水流一维数值模拟的关键技术。山区型河道因河势变化急剧而产生的局部阻力对水流流态影响较大。根据山区型河道的水力特性,提出了综合反映子河段内河底切力及局部阻力的综合糙率的确定方法,并通过算例对该方法进行了测试,取得了预期的效果。该方法使得水流一维数值模拟时的计算子河段划分趋于方便,同时对于缺少历史观测资料的河道糙率参数的确定,提供了一种新的方法。

江河冰塞糙率的分析研究

本文对江河冰塞糙率的主要研究成果进行了分析,指出了目前江河冰塞糙率研究成果的共同缺点是没有把冰塞糙率与水流强度及水流的含冰率联系起来,而认为冰塞糙率是冰厚或时间的函数。根据黄河河曲段6年的冰塞实测资料,建立了冰塞糙率与河床糙率的比值和水流佛汝德数的关系。据此,对实验室模拟冰塞糙率进行了分析研究,建立了模拟冰塞糙率与河床糙率的比值和水流佛汝德数及水流含冰率等关系式。文中还对一些问题进行了讨论,认为冰塞下水内冰花的堆积运动应与泥沙在河床上的运动相似。