挟沙水流卡门常数的理论研究

挟沙水流的流速分布,特别是其中的卡门常数,一直是冲积河流水力学研究的热点问题之一。实测资料表明挟沙水流流速分布仍遵循对数流速分布规律,但在主流区的卡门常数要小于清水时的卡门常数,而在近底区的卡门常数与清水基本一致。在引入颗粒切应力的基础上,从理论上推导了同时适用于主流区和近底区的统一流速分布模型。利用该流速分布模型,得到挟沙水流的卡门常数沿垂线是变化的结论,即从近底区的约0.4渐变到主流区的小于0.4。并给出了主流区卡门常数的理论表达式,认为主流区卡门常数与近底区的泥沙浓度和泥沙粒径有关。该卡门常数的理论公式与实测资料较为吻合。

动床水流卡门常数K的物理意义及其应用

本文分析了动床水流流速分布与点、线、面的卡门常数Ｋ值的关系，指出在主流区流速分布仍遵循对数定律（但Ｋ值不再是０．４），文中揭示了动床水流卡门常数Ｋ值具有可变的特征，建立了悬浮指标、掺混长度、动量交换和泥沙交换系数垂线分布变化规律与水流结构（流速分布）变化规律之间的联系，并获得了正确的理论解．

挟沙水流卡门常数的影响因素

挟沙水流卡门常数是反映泥沙运动对水流结构影响的重要参数之一,本文回顾并讨论了挟沙水流卡门常数的计算公式及其影响因素。基于影响因素的量纲分析,得到了影响挟沙水流卡门常数的无量纲参数的关系式,由水槽实验资料确定出卡门常数的计算公式。经有关实验观测资料和长江、黄河实测资料的检验,表明本文所得公式计算的卡门常数与实验观测资料和野外实测资料的分析值均符合较好。

动床水流卡门常数变化规律的研究

本文初步分析了动床水流速分布与卡门常数x值的关系,指出在主流区仍遵循对数定律.但x值常常偏离0.4.动床水流流速分布是含沙量及其分布、推移质运动强度、沙波发育、消长、床面糙度、紊流涡体尺寸、强度及其分布等诸因素综合作用的结果.在相同的U值下.可以有不同形状的流速分布.x值可以远大于0.4,也可以远小于0.4.x=0.4只代表一种平均分布. 卡门常数x值实质上是反映流速分布变化的一个参数.流速分布越均匀,du/dy就越小,x值大于0.4越多.流速分布越不均匀,du/dy就越大,x值小于0.4越多.平均x值将因采用的理论参考平面不同而有不同的变化.不能简单地取K=D_65和x=0.4.初步分布认为,x值与水流相对强度参数F_rU/W_50有关.根据不同的情况可用式(12)～(16)或式(17)～(18)来描述K值和x值的变化规律.

卡门常数的计算误差对悬移质浓度垂线分布的影响分析

一、前言悬移质浓度对流速及含沙量垂线分布的影响通常用卡门常数K来表征。1955年爱因斯坦和钱宁在可变坡的循环钢板水槽内,对此进行了实验,从清水到各种粒径的不同含沙量中测量了流速和含沙量垂线分布。

卡门常数研究现状及存在的问题

挟沙水流卡门常数是反映固液两相流中泥沙对水流结构影响的重要参数之一。鉴于此,回顾了卡门常数的来历、实质和卡门常数的影响因素、物理意义,总结了国内外因考虑因素不同而导出的卡门公式,接着对研究得到的卡门常数作了一个简要客观的评价,最后指出卡门常数进一步研究需要注意的问题:从能量输移理论进一步弄清楚能量分配机制,同时需要更精确的试验资料进行分析。

高低含沙水流流速分布的统一规律

作为自然界中普遍存在的一种典型的固液两相流,挟沙水流流速分布具有与清水不同的变化规律。本文明确挟沙紊流(无流核)为研究对象,通过天然沙挟沙水流流速试验,首先分析紊动状态下高、低含沙水流流速分布特点;在此基础上,通过引入同时反映含沙量和颗粒级配影响的相对黏度指标,分析高、低含沙紊流的卡门常数κ统一规律及其表达式,由此将高、低含沙水流流速分布统一于卡尔曼-勃兰德尔对数流速分布公式上,并应用室内粉煤灰等试验资料分别验证了卡门常数κ及卡尔曼-勃兰德尔对数流速分布公式的合理性和可靠性;本项研究成果对进一步揭示高、低含沙水流的水流结构与输沙机理以及对河道整治规划设计具有重要的现实意义。

圆管湍流脉动流动与换热的数值模拟

利用标准k-ε模型结合脉动燃烧器尾管的实验参数进行湍流脉动流动与换热的数值模拟,通过修正模型内的冯·卡门常数建立适用于实验条件下的脉动流动的湍流计算模型,并研究脉动湍流中压力振幅和频率对湍流流动和换热特性的影响。研究发现:符合实验条件下的冯·卡门常数范围为0.48～0.52;脉动瞬时截面上的速度在靠近壁面附近出现峰值且速度变化较大;速度与温度分布呈周期性变化;压力振幅越大,速度和温度波动范围就越大,频率越大,速度和温度的波动范围则越小;壁面摩擦系数随着压力振幅的增加而减小,随着频率的增加而增大;壁面平均对流换热系数随压力振幅的增加而增大,随频率的增加而减小。

峡谷河道综合糙率变化规律的预报

本文揭示了峡谷与宽谷河道水流结构特性与阻力损失的机理和同异，指出前者的综合糙率常比后者大１～３倍，其原因除了通常认识的周界粗糙度不同有影响外，主要因素是河型和断面形态不同，紊流涡体的产生、规模、强度和分布不同，集中表现在水流内部结构不同所引起的能损不同的结果．论证了阻力系数公式（５）仍可用于三维水流。但卡门常数Ｋ值不再是０．４；峡谷河道水流的Ｋ值可用式（８）或式（９）求解。宽阔河道水流的Ｋ值可用文献［４］的公式计算．在动床水流中，Ｋ值不仅是表征流速分布变化的一个参数，也是衡量水流阻力系数变化和床面形态定性变化的一个指标，是阻力系数的重要组成部份．引入紊流能损理论（即Ｋ值的变化）之后，水流阻力变化规律便与水流结构变化和床面形态变化建立起有机的联系，取得了与实测值基本一致的结果，解决了现有的糙度阻力系数公式无法求解超高（低）阻力的难题．

关于挟沙水流流速分布问题

挟沙水流的流速分布是泥沙动力学中一个尚有争议的问题 ,为了深入研究这一问题 ,对爱因斯坦和钱宁等的变 k模式和 Coleman模式进行了进一步分析。发现变 k模式的 k值与 Coleman尾流强度系数 Π之间存在一一对应的关系 ,并推导了这一数学关系。

含沙量变化对U型渠道垂线流速分布的影响

【目的】探索含沙量变化对U型渠道挟沙水流垂线流速分布的影响,进而从理论上完善挟沙水流流速分布规律。【方法】通过U型渠道水槽试验,测定水流中含沙量为1.12～500kg/m3时,最大流速所在位置的变化,同时引入卡门常数κ,来反映含沙量对垂线流速分布的影响。【结果】当水流含沙量s<300kg/m3时,随着含沙量的增加,最大流速点的位置逐渐下降,在主流区、底流区和表面区,挟沙水流均遵循对数流速分布规律,但κ的变化规律不同;当含沙量s≥300kg/m3时,水流的流型发生了变化,表面区、主流区水流不再遵循对数流速分布规律,底流区虽仍遵循对数流速分布规律,但κ的变化规律与s<300kg/m3时不同,κ的变化趋势总体随着含沙量的增大而减小。【结论】U型渠道挟沙水流遵循对数流速分布规律,κ的变化规律与普通明渠不同,应该分别对待。

低含沙坡面薄层水流垂线流速特征试验分析

为分析低含沙量条件下坡面薄层水流速分布规律.试验选用有机玻璃水槽,基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术根据5种水深、3种坡度、3种含沙量的垂线流速测量结果.发现含沙量对阻力系数λ,卡门常数κ都具有较大影响,水流的垂线流速分布与明渠存在较大差别.低含沙坡面薄层水流中,阻力系数λ随含沙量增大而增大,随坡度增大而增大,且受边壁影响较大.垂线分布最大流速产生在相对水深0.7~0.8的位置.在低含沙量条件下,水流在内区(底流区和主流区)的垂线流速遵循对数分布规律,其中卡门常数κ随含沙量增大而减小;最大流速约为垂线平均流速的1~1.1倍.

基于诊断函数的薄层流对数律研究

薄层流是一种特殊形态的明渠流,其特点是水深浅薄。为探讨薄层流流速分布是否满足对数律,该研究利用高分辨率粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,分析8组薄层流(水深0.49~1.1 cm,雷诺数835~2877)及1组深水明渠紊流(对照)床面至水面的流速分布、紊动强度及雷诺应力。并基于诊断函数,研究薄层流流速是否满足对数律、对数区的范围及卡门常数变化规律。结果表明,薄层流的无量纲流速从过渡区开始偏离深水明渠水流中的理论曲线;薄层流的流向紊动强度大于深水明渠紊流,但垂向紊动强度小于深水明渠紊流,随着水深的增加,两者的紊动强度逐渐重合;雷诺应力的特征表明,随着水深的增加,受黏性力影响的范围越来越小。薄层流诊断函数曲线的特征说明薄层流中不存在严格意义的对数区,但当水深极浅时(水深≤0.53 cm),流速基本满足对数律,且卡门常数在0.2~0.3范围内。当水深和雷诺数增加,薄层流诊断函数曲线出现波动而不再近似水平。为方便实际计算,若允许诊断函数有一定的倾斜,对数区在极大值与极小值之间的范围,薄层流的卡门常数随着雷诺数的增加而增加。此外,薄层流对数区的范围并非稳定,随着雷诺数的增加,对数区影响的范围变大。该研究可为薄层流的理论研究和流速计算提供参考。

基于分段二次流变模型的泥石流流速垂向分布

泥石流流速垂向分布是泥石流动力学的核心研究内容之一,它关系到泥石流堆积、运移、冲击力、运动摩阻等重要工程设计参数的计算。本文对二次流变模型进行分段处理,建立泥石流流速垂向分布理论计算公式,用17组试验数据对模型进行验证。结果表明:分段流变模型能较好地拟合试验数据;基于试验数据,建立了卡门常数与含沙量之间的关系,给出了流速为0的位置与中值粒径和含沙量的关系。

湍流模型系数不确定度对翼型绕流模拟的影响

使用非嵌入式多项式混沌方法研究了湍流模型系数的不确定度对RAE2822跨声速翼型绕流模拟的影响。计算中关注了数值模拟的积分量(升力系数、阻力系数)和局部量(壁面压力、摩擦系数和空间马赫数分布)的不确定度量化结果。首先,从单输入变量入手,研究卡门常数的不确定度对数值模拟的影响。然后,同时考虑Spalart-Allmaras模型中9个参数的不确定度带来的影响。通过多项式混沌展开,得到系统输出对不确定输入变量的响应,由此可以得到输出的统计特性,包括平均值、方差和极值等信息。最后,在多变量不确定度量化过程中,通过Sobol指标来量化每个输入变量的不确定度对输出不确定度的贡献程度。本文计算只考虑了RAE2822跨声速翼型模拟的单一计算状态,影响规律是否可以推及其他工况和算例需要进一步检验。