基于Galerkin截断的薄膜-床面耦合振动响应分析

将废塑料薄膜进行分选回收是目前最为高效节能的塑料垃圾处理方式,废旧塑料薄膜及床面的振动会直接影响分选的效率。提出了将薄膜模型和床面模型结合建立薄膜-床面耦合系统动力学模型的方法。并通过受力分析,利用Galerkin截断将床面的变形表达为模态函数的线性组合,建立了薄膜-床面非线性耦合振动微分方程。研究了不同截断阶数对薄膜-床面耦合非线性振动动态响应的影响,确定了保证薄膜-床面耦合系统振动收敛性的Galerkin截断阶数。通过床面位移响应对此方法进行了验证和对比,结果表明Galerkin截断法适用于求解耦合系统振动分析,且计算速度较快。

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。

基于大涡模型的床面形态与水流相互作用过程模拟研究

为判断动床弯道中二次流和涡结构模型的模拟精度,基于Barbhuiya的90°水平弯道冲刷水槽试验,比较了大涡模型(LES)和RNG k-ε模型对弯道冲淤过程中床面形态模拟的精确程度,发现LES模型结果更加精确。基于LES模型模拟结果,通过使用Q准则识别二次流产生的底部涡结构,分析了涡结构对床面冲刷淤积的定量影响。结果表明:在清水冲刷动床弯道的过程中,Q值介于30~50之间时底部涡趋于稳定存在,Q值大于50时会明显影响床面冲淤;强大稳定的涡结构会使床面形态逐渐稳定,床面冲刷和淤积速率趋于一个定值,床面冲刷和淤积速率不超过2×10^(-6)m/s。进一步分析弯道内剪切流速与床面形态的关系,发现弯道内存在两类高剪切流速区域,当第一类区域剪切流速值大于第二类时,床面会出现深度大于0.10 m的明显冲刷坑。研究结果可为弯道中冲淤平衡和床面形态模拟提供参考。

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。

床面形态渗透率对潜流交换特性的影响

为了研究床面形态物理特性对潜流交换的影响,通过环形水槽实验,采用概化的2维离散床面形态研究了床面形态组成单元的渗透率与潜流交换通量之间的定量关联和变化特征,并分析了床面形态组成单元的渗透率变化对有效扩散系数的影响.实验结果表明,床面形态组成单元的渗透率变化对潜流交换起着不可忽视的作用.在该实验参数变化范围内,床面形态的存在引入了附加的泵吸交换,而泵吸交换对潜流交换通量的相对贡献与床面形态组成单元的渗透率变化密切相关,当其渗透率相对较低时泵吸交换和湍流渗透均趋于减弱,与平整底床相比其有效扩散系数总体上呈不同程度的减小趋势.

粗化床面发展过程中非均匀沙起动试验研究

非均匀沙在水流作用下会形成表层粒径大于底层的床面粗化现象,同时表层粗颗粒还会形成聚集结构体。已有非均匀沙起动研究仅考虑粒径差异,对多颗粒组成的粗化结构体及其影响问题考虑不足。在水槽中开展了非均匀沙床面粗化发展过程试验,分析了粗化床面条件下的起动条件及起动判别标准。结果表明,粗化床面发展可分为中粗颗粒出露、中颗粒结构体形成、粗颗粒结构体形成等3个阶段,粗化结构体对泥沙颗粒的起动和输移造成较大影响。粗化床面条件下非均匀沙起动临界希尔兹参数为0.015 5~0.023 5,小于均匀沙床面。USACE输沙率标准不适用于非均匀沙粗化床面,而Parker标准与韩其为标准均可在一定程度上反映非均匀沙粗化对泥沙起动的影响,其中韩其为标准与实测值更接近。

粗糙床面明渠水流数值模拟及水力特性分析

天然河道和人工河道一般为粗糙床面,由于大尺度粗糙床面对水流的阻挡作用,使得水流区与粗糙区的流场特性不相同。为了探究粗糙床面对水流结构的影响,开展了4种工况下,不同粗糙高度的水槽模型流场试验和对应的数值模拟分析计算,获得了丰富的水力特性空间数据。研究结果表明,采用RNGk-ε模型和流体体积模型(VOF)能够准确模拟计算具有粗糙床面的水流。受粗糙床面阻水作用的影响,在粗糙床面上游,水位有一定程度的壅高,当水流过粗糙床面后,水位有一定程度的跌落。水流过粗糙床面以后,水面逐渐趋于一致。在粗糙段,水流结构基本相似。在粗糙影响段,相对粗糙度为0.2,水流的紊动强度和紊动动能达到最大值。随着相对水深的增大,紊动强度和紊动动能均呈现出“先增大后减小”的变化趋势,在水面附近趋于一致。

平整输沙床面水流阻力研究

水流阻力对于研究水流结构、推移质运动和输沙率等问题具有重要意义。影响水流阻力的因素有床面泥沙级配、水流条件、床面结构和推移质输沙率等,综合考虑床面泥沙条件、水流条件和推移质输移情况,将平整非均匀床面的水流阻力划分为沙粒阻力和输沙阻力。基于床面粗化过程中推移质输沙率的变化规律,将床面表层粗化程度系数表示为相对输沙率的函数,结合粗化完成床面和均匀床面的阻力公式,建立了包含床面结构参数的床面沙粒阻力公式。基于滚动和跃移推移质运动特性的差异,分析了滚动推移质在床面上的受力,得到了水流搬运滚动推移质消耗的能量,并与bagnold建立的计算公式进行对比,结合不同水流强度下滚动和跃移推移质的占比,建立了输沙阻力公式,由实测粗化床面资料确定了床面表层粗化程度系数,最终建立了适用于平整非均匀输沙床面的水流阻力计算公式。经实测资料验证并与其他学者的阻力计算公式进行分析对比,公式的均方根相对误差(RMSRE)仅为0.094,比其他学者阻力计算公式的相对误差值更小,表明该阻力计算公式具有更高的计算精度。

沙波与刚性非淹没植物复合床面推移质泥沙输移特性研究

鉴于复合床面条件下刚性非淹没植物改变推移质输沙特性的相关研究成果较少,为此采用水槽试验和理论分析方法,研究了平行排列的刚性非淹没植物对泥沙起动谢尔兹数和推移质输沙强度的影响。结果表明,平行排列的刚性非淹没植物使得泥沙起动谢尔兹数增大了97.2%,推移质输沙率降低了80%以上。通过理论分析提出了适用于刚性非淹没植物平行排列条件下恩格隆推移质输沙率公式,经验证该公式具有较高的精确度。

明渠层流近床面颗粒拖曳力研究

泥沙颗粒受到的拖曳力是泥沙运动的主要驱动力,而当前应用于计算流体力学-离散颗粒法(CFD-DPM)耦合模型进行水沙运动模拟的泥沙颗粒拖曳力公式均没有考虑明渠流底床边壁作用的影响。求解不可压缩Navier-Stokes方程,对明渠层流不同雷诺数条件下床面附近不同高度处颗粒所受拖曳力进行了模拟,根据模拟结果变化规律,提出了综合考虑床面和水流惯性对标准拖曳力影响的修正拖曳力计算公式。与常用的单颗粒标准拖曳力公式和考虑遮蔽效应的多颗粒拖曳力公式相比,采用本文修正公式得到的水沙作用力更接近高精度数值解,应用于CFD-DPM输沙模拟获得的输沙结果与输沙率公式结果一致,应用分析表明输沙模拟应当采用粗糙底床边界。

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。

新型海上风电基础地基冲刷深度试验研究及床面剪切力分析

海洋环境作用下海上风电基础周围海床会产生显著冲刷,冲刷深度过大会严重影响风电结构体系的安全。复合筒型基础是一种新型的浅基础,其对冲刷的敏感性更大。以新型的海上风电复合筒型基础为研究对象,开展了波流作用下基础周围地基冲刷特征的物理模型试验,探究了基础周围海床的冲刷变化规律及最大冲刷深度,基于波流-复合筒型基础-地基相互作用的数值模型分析了海床表面剪切力的分布特征,考察了最大冲刷深度与最大床面剪切力的关联性。研究结果表明:波流作用下复合筒型基础最大冲刷位置位于基础后方、毗邻基础的位置,最大冲刷深度随波高、周期、流速的减小而减小,基础周围海床最大冲刷深度与其最大床面剪切应力的分布有一定的相关关系。

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．

波浪作用下的床面摩阻系数

波浪作用下床面摩阻系数对于波浪变形和床面剪应力的准确计算,乃至海岸泥沙运动的合理描述具有重要意义。在收集大量波浪边界层和床面剪应力测量数据的基础上,建立了波浪作用下光滑和粗糙紊流边界层床面摩阻系数的显式计算公式,并进一步建立了可涵盖波浪边界层所有流态的摩阻系数显式计算公式,该公式具有不需迭代、不需判断流态、应用方便的特点。

散粒粗糙床面的当量糙率尺度特征

为揭示散粒粗糙床面的当量糙率尺度特征,采用4种散粒粗糙床面开展了8组粒子图像测速法(PIV)水槽明渠紊流试验,探讨了理论床面位置、当量糙率尺度和阻力系数的沿程分布规律,分析了当量糙率尺度与阻力系数的内在关系。结果表明:(1)散粒粗糙床面明渠水流特性沿程可分为颗粒区和粒间区,各区的理论床面位置参数ξ、相对当量糙率尺度k_(s0)和阻力系数f具有显著差异,颗粒区0. 65≤ξ≤0. 85,k_(s0)波动明显,f较大;粒间区ξ=1,k_(s0)变化相对平缓,f较小。(2) k_(s0)沿程平均值与颗粒直径d成正比,与排列间距Lx及水流雷诺数Re成反比,在d、Lx及Re相同时,梅花形排列的k_(s0)大于矩形排列。(3) f随k_(s0)呈递增变化,变化特性与相对光滑度h/d密切相关。研究成果可为散粒粗糙床面沿程阻力系数确定提供科学参考。

不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究

野外风洞实验表明,砾石床面具有捕沙和过沙的双重功能,砾石床面的输、阻性质是不同覆盖度与风动力耦合的结果。当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主;当砾石覆盖度在30%～50%时,低风速条件下(<10 m/s),床面以强烈风积作用为主,高风速条件下(>12 m/s),床面以强烈风蚀为主,其间[(10～12)m/s]床面趋于蚀积平衡状态;当砾石覆盖度大于60%时,随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。研究结果可应用于莫高窟顶沙砾质戈壁的风沙防治,为风沙工程增添新的思路和新技术。

波、流共存时的床面剪切力和泥沙运动

利用边界层理论 ,导出了床面剪切力、综合摩阻系数、综合速度和综合摩阻速度 ,建立了波浪、水流共同作用下的泥沙起动和水体挟沙力公式。

支流水沙作用下干流床面冲淤特征试验研究

通过一系列的水槽试验,研究了交汇角为30°时不同水沙条件下干流床面冲淤特性,获得了在支流有无来水、来沙时不同主支汇流比下的干流床面冲淤二维等值线图,初步揭示了干流床面冲淤随主支流量比及支流是否来沙的变化特性。研究成果对了解交汇区的冲淤变化及河床演变具有积极的作用。

固定沙质床面的空气动力学粗糙度

通过固定沙质床面的空气动力学粗糙度z0的风洞实验研究,结果表明,z0与沙粒粒径的关系为:z0=a1+b1D2ln(D),并非Bagnold的1/30定律,也不是其他研究者的z0与沙粒粒径D的固定关系。Bagnold的1/30定律仅对有限风速情况和非常狭窄的颗粒粒径范围有效。风也是影响空气动力学粗糙度的活跃因子。z0与沙粒粒径,z0与摩阻速度,z0与摩阻雷诺数之间的关系都与风速有关。类似于水利学粗糙度,将空气动力学粗糙度划分为空气动力学完全光滑区、过渡区和完全粗糙区三个区域。