磷素对含沙水流流体变异特性影响

[目的]为探明磷素对含沙水流流体变异特性的影响。[方法]采用自制双竖管流变仪,研究了磷素对不同浓度含沙水流流体类型、流变参数及流体发生变异的临界阈值的影响。[结果](1)磷素浓度、泥沙浓度及泥沙理化性质是影响含沙水流发生流体变异的主要因素。在25℃下,过磷酸钙浓度每增加0.1 g/cm^(3),黏滞系数和宾汉极限剪切力分别增加0.48~1.47 mPa·s和3.49~6.84 N/m^(2)。(2)随着磷素和泥沙含量的增大,含磷素的含沙水流由牛顿流体变异为宾汉流体。构建并验证了磷-泥沙水流黏滞系数和宾汉极限剪切力等流变参数的计算模型。(3)给出了磷-泥沙水流流体变异的临界浓度阈值。当磷素浓度从0增加至0.45 g/cm^(3)时,含沙水流的流体变异临界浓度阈值降低49%,说明磷素的存在加速了含沙水流的流体变异。[结论]磷素的增加使得侵蚀水流更容易由牛顿流体变异为宾汉流体,从而影响侵蚀流内部的能量耗散过程,研究结果为深入认识侵蚀污染水流的输移机制提供了新的科学基础。

含沙水流在植被斑块中的输沙规律及阻力机制试验

为深入探究自然状态下含植被水沙运动过程及植被阻水拦沙机理,利用室内开闸式平坡水槽试验研究了泥沙粒径级配、植被冠层形态特征、植被密度对含沙水流输沙规律及阻力机制的影响。提出植物叶片长宽比作为衡量单株植物的冠层形态特征指标,用无量纲沉积通量和不同尺度下的无量纲冠层阻力划分含沙水流运动状态,掲示冠层形态特征及泥沙粒径级配对含沙水流运动过程的影响。研究结果表明,含沙水流中泥沙沉积通量受植物冠层形态和粗粒径悬移质(10~100μm的弱黏性颗粒)含量影响,且植被冠层形态及泥沙粒径级配与无量纲沉积通量之间在阻力主导阶段存在强烈的反馈机制。植被冠层形态较大或粗粒径悬移质含量高的含沙水流中,沿水流运动方向床沙细化趋势更显著。相较于受叶片长宽比影响的冠层形态特征及植被密度,悬移质泥沙粒径级配因素对植被阻水拦沙效果的影响程度较为微弱。研究成果可为流域侵蚀输沙过程和河流水沙资源管理提供一定的科学依据。

明渠含沙水流流量测量精度分析——以超声时差法测流为例

水流中泥沙的存在对流量测量精度的影响一直是水力学的重要问题。本文以超声时差法测流方法为例,在室内明渠水槽中开展了不同含沙量(最大含沙量27 kg·m^(-3),宁夏引黄灌区天然沙,中值粒径0.015 mm)对流量测量精度的影响测试研究,以电磁流量计及巴歇尔槽测量值为基准,对比了超声时差法在不同含沙量下的流量测量偏差,分析了含沙量对其流量测量精度的影响。结果表明:在含沙条件下,超声时差法的流量测量值总体偏大,且偏差量随含沙量增大呈增大趋势。多声路箱式超声时差流量计受含沙量影响相对较小,在本文泥沙粒径、含沙量范围内平均意义上流量测量偏差在7%;单声路超声时差流量计受含沙量影响较大,在本文测验环境下其在含沙量较高时测量值偏大300%~500%,基本处于失效状态。

含沙水流对平面钢闸门底缘的冲蚀影响研究

为研究含沙水流对平面钢闸门底缘的冲蚀磨损作用,基于有限体积法建立三维流场模型,采用FLUENT软件进行数值模拟。以最大冲蚀率为分析指标,通过控制变量法讨论单因素下水流速率、沙粒直径和含沙量对闸门动水开启过程中的冲蚀影响。结果表明:含沙水流对平面钢闸门面板底缘的冲蚀作用随闸门高度的增大而逐渐减小,应避免门体长期处于低开度状态;闸门提升的不同阶段,其最大冲蚀率的降幅是一定的,开启初期降幅最大,随着开度增大而逐渐减小;水流速度和含沙量与闸门底缘的冲蚀率呈正相关,是影响面板发生冲蚀破坏的主要因素,而粒径的增大会使冲蚀率呈现减小的趋势。

高含沙水流运动特性综述

本文综述了高含沙水流的阻力特征、流速分布、紊动强度分布、能量分布等流动过程中所具有的特性 ,并和清水、低含沙水流作了对比分析。系统论述高、低含沙水流所共同具有的规律。

陡坡细沟含沙水流剥蚀率的试验研究及其计算方法

细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少 ,这一概念已在一些侵蚀模型 (如 WEPP)中得到应用。用黄土高原一种典型的粉壤土 ,在 5种坡度 (5°,10°,15°,2 0°,2 5°) ,3种流量 (2 ,4,8L/m in)条件下进行了细沟侵蚀模拟试验 ,试验沟长 0 .5～ 8m。通过 40 5次试验 ,确定了不同坡度、入流量条件下 ,侵蚀产沙量与细沟长度的定量函数关系。在假定细沟径流和土壤侵蚀沿细沟的行为相同条件下 ,提出了一种计算含沙水剥蚀率的方法 ,并进一步表达了细沟剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系。实验结果在 15°,2 0°,2

蒋家沟高含沙水流泥沙特性与泥石流滩地的改良

蒋家沟流水含沙量极为丰富,浑水期含沙量为23 1～335 1kg/m3。含沙水流泥沙颗粒主要集中在<0 02mm范围内,含量为73 07%～86 58%;微团聚体主要分布在0 02～0 002mm,含量为54 13%～80 08%;泥沙养分除全钾极丰富外,其它养分含量处于缺乏或极缺乏状态。含沙水流泥沙对滩地土壤物理结构、剖面结构、微团聚体数量及组成比例改善作用显著,但对土壤养分改良效果较差。在引浑停淤改良滩地的同时,应增施有机肥,实施配方施肥,改良耕作措施,防止滩地土壤出现板结、瘦地等不良现象。

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。

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。

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。

利用水库泄空冲刷形成高含沙水流的机理

利用黄河干支流水库运用的实测资料,对高含沙水流的产生条件进行了研究。结果表明,水库水位的迅速下降并泄空,可使水库的淤泥流动并产生高含沙水流。水库淤土抗剪强度参数(C和Φ)依排水条件而异,抗剪强度一般不排水不固结的最小。水库淤积物在水下处于饱和状态,库水位迅速降低时,淤土中的孔隙水来不及排出,摩擦角值低,Φ=0,只要下滑的剪力大于黏着力淤泥便开始流动。当库区淤积物抗冲性较强时,溯源冲刷纵剖面调整又具有自动调整的特性,使冲刷以“局部跌坎”的形式向上游发展,使水流能量集中,加强冲刷能力,随着主槽冲深,滩槽差增大,促使淤土向主槽内滑塌,为高含沙水流形成创造了有利条件。

滴头流道内部含沙水流流动特征的试验研究

滴头流道中水流的运动状况是影响滴头水力性能的主要因素,而水源中悬浮颗粒(沙粒)的存在对于水流有着不可忽略的反作用。该文研究了浑水(含沙水流)在迷宫滴头流道内流动过程,分别选用清水和含沙浓度为40、80、160 mg/L的浑水,通过滴头在不同压力下流量变化,分析了流道内部含沙水流流动特征及沙粒对滴头水力性能的影响。试验结果表明:同一工作压力下,沙粒的制紊效应使得滴头流量随悬浮颗粒浓度的加大先上升后下降;滴头的流态指数随悬浮颗粒浓度的提高略呈下降趋势;在该试验条件下,流道内层流向湍流过渡早于常规流动,工作压力在45 kPa时流道内水流已处于湍流状态。

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。

黄土高原区高含沙水流发生频率空间分异及其影响因素

以1964-1989年黄土高原区284个水文站的泥沙观测资料为基础,结合相应区域内自然条件与人类活动相关资料,运用空间分析及数理统计方法,研究了黄土高原区高含沙水流发生频率的空间分布规律,并分析了高含沙水流发生频率及其与各影响因素之间的关系。研究结果表明,黄土高原区高含沙水流发生频率高值区为带状分布,呈东北-西南向,且存在3个高值中心区,分别位于111°E、40°N,107°E、36°N和104°E、34°N附近;在分析各影响因素与高含沙水流发生频率关系基础上,进一步研究了多因素对高含沙水流发生频率的综合影响,结果表明,灌木林、丘陵旱地、有林地、黄土厚度、年平均降水量等主要影响因素对高含沙水流发生频率的相对贡献率依次为17%、4%、7%、30%、42%。

含沙水流对水轮机导叶部件磨损的数值模拟

建立了低浓度固液两相流（平均固体容积浓度Ｃｖ＜１％，即对于沙水，含沙量低于２０ｋｇ／ｍ３）Ｅｕｌｅｒｉａｎ－Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ混合湍流模型。给出了颗粒－壁面碰撞模型和为韧性金属材质的水轮机过流部件的磨损模型。利用这些模型可数值模拟水轮机中含沙水流的流动、沙粒在水轮机过流通道内的浓度分布、运动轨迹及水轮机过流部件的磨损率。本文模拟了长江含沙水流对ＺＺ５６０－ＬＨ型水轮机导叶部件的磨损率，并给出了它们的严重磨损区域数值模拟结果与实验结果较一致。

高含沙水流挟沙力计算公式研究

基于现有各家水流挟沙力计算公式不能直接用于高含沙水流挟沙力计算的状况 ,本文引入宾汉切应力 ,并运用能耗原理建立了新的高含沙水流挟沙力计算公式 ,并利用大量实测资料进行了验证 ,验证结果表明 ,本文建立的高含沙水流挟沙力计算公式比现有各家公式概念清晰 ,与实测资料更为符合。

长期低含沙水流作用下黄河下游河势调整过程

小浪底水库运用以来长期下泄清水或低含沙水流,游荡性河道河势发生显著调整,研究其变化过程特征,对于深化认识游荡性河道演变规律并进行有效调控具有很大意义。依据2000—2015年的河势资料,对铁谢—高村游荡性河道的河势调整过程进行了分析,提出了应对河势变化的建议。结果表明:①在长期清水或低含沙水流作用下,游荡性河道的河势变化较大,河宽增大、心滩增多、河势较散乱、畸形河湾现象突出;②2000—2015年黄河下游河势调整具有明显的时空特征,前期河势以下挫为主,后期则以上提为主,且河势调整从上至下逐步演进;③对危及滩区群众安全的东安—桃花峪、三官庙—黑岗口、堡城—青庄河段,急需进行河道整治,对长期持续清水或低含沙水流作用下的河势新情况应给予高度重视,确保防洪安全。

植物生长对含沙水流特性的影响研究

采用无植物和高2、5、9 cm模拟植物的12组次的水槽试验,探讨了植物生长对含沙水流特性的影响规律。试验结果表明,含沙水流流速分布在植物带中不再符合对数分布形式,而为S型分布;水流的雷诺数和弗劳德数随植物高度增加而减小,随流量增加而增大;糙率随植物高度增加而增大,随流量增大而减小;悬移质浓度垂向分布随植物高度增加而降低,随流量增加而增大,沿植物带水流方向悬移质浓度逐渐降低。

含沙水流中翼型空蚀磨损试验

模拟水力机械内部流动环境,在收缩-扩散型试验段中对翼型进行了空蚀、磨损及两者联合作用破坏试验,观测表面破坏微观形貌并测量破坏深度分布规律。空蚀形貌呈较为规则的近圆独立蚀坑,其分布较为随机。根据颗粒对表面作用的不同,磨损形貌表现为冲击、铲削、犁耕及切削等类型。在较高固相质量浓度下,联合作用破坏形貌大多在极端的角度(90°或0°)以颗粒磨损形式出现,其尺度特征在翼型表面随位置后移远大于磨损形貌,宏观破坏深度明显比单纯磨损大;而在低固相质量浓度下,微观形貌为空蚀磨损共存。

高含沙水流的整体停滞淤积及其影响

河流泥沙的整体贴边停滞淤积是高含沙水流物理力学性质决定的一种泥沙运动停滞现象。它的形成与消亡对高含沙河流的洪水演进、河道演变及河道水文要素的变化有着重要影响。本文从高含沙水流的物理力学特性分析入手,探讨整体贴边淤积的形成机理,认识它的作用。研究表明:层流条件下的高含沙水流具有静态剪切应力,其大小与浑液的含沙量和相对静止时间成正比,与粒径成反比,是导致高含沙水流层流区的运动阻力随着时间增大、出现整体停滞淤积的主要原因。高含沙水流出现的许多独特现象可以从整体停滞淤积得到解释。对静态剪切应力和整体停滞淤积的认识将有助于高含沙洪水演进、河床演变和黄河水沙调控体系中的水沙调度等相关领域的研究。