减速流条件下床面泥沙起动试验研究

减速流在工程上称为壅水,为非均匀流的一种流态形式。减速流下的床面泥沙起动研究成果,在水利工程中有着重要的应用价值。通过该条件下的河道开展概化水槽试验,结合天然实测资料以及4家经典的起动流速公式对比分析,结果表明4家经典公式均较适用于水槽试验中的减速流条件,只是在起动粒径的选择上略有差异。根据水槽试验的成果得出选取取样标准为床面泥沙起动标准具有较好的精确性,选取d95作为起动的代表粒径;并验证了减速流条件下泥沙起动大体满足希尔兹曲线;通过功率起动公式的验证,得到无量纲起动功率为0.019 1,可以将其作为床面泥沙起动的标准。

基于水下摄影的床面泥沙运动特性试验研究

为提高推移质试验的观测精度与效率,基于水下摄影和粒子跟踪(UP/PTV)技术,实现明槽流床面泥沙运动状态的精细试验观测。通过剔除床面颗粒震颤干扰、设置颗粒临界运动阈值和多重滤波筛选程序,提高采集样本数据的有效性。利用多组低强度推移质试验,提取床面颗粒运动轨迹、速度、单步时长等数据,并进行粒子运动的Lagrange过程分析和概率密度分布(PDF)研究。研究表明:粒间碰撞和近底紊流扫荡的影响使粒子速度在单步步长内呈现先急剧增加再缓慢衰减的变化特征;速度PDF曲线显示细尾Gamma函数特性,同时受粒子震颤效应影响,加速度PDF曲线则具有拉普拉斯分布特征;粒子速度与摩阻流速之间关系密切,保持3.4~3.5的比值;粒子单步时长与步长的联合分布呈幂函数变化规律,拟合曲线指数一般为1.25~1.3。幂律指数大小受推移质输沙强度与床面粒子异质性的影响。

泥沙颗粒床面暴露度的理论分析及应用

床面泥沙暴露度是影响床面泥沙起动和输移的重要因素之一,目前在理论层面如何合理描述其影响尚未形成清晰的认识。本文在已有研究的基础上,针对非均匀沙,提出了新的暴露度计算公式,建立了床面泥沙暴露度与泥沙粒径之间的函数关系。基于该公式,推导得到了包涵暴露度影响的单颗粒滚动和跃移运动参数的理论表达式,通过与跃移距离和跃移高度的实测数据对比发现,计算值能够与实测值相吻合。为了进一步验证公式的正确性,在运动参数的基础上,推导得到了推移质输沙率公式,计算了均匀沙输沙率、非均匀沙分组输沙率和总输沙率。通过与实测数据的对比发现,计算值与实测值之间的相对误差均在可接受范围内。同时,计算结果表明,在相同的水流条件下,不同暴露度下的分组输沙率可以相差十几倍,由此说明了床面泥沙暴露度对非均匀沙输移的影响十分显著。

明渠层流失稳与沙纹成因机理研究

动床水流中 ,泥沙起动之后 ,往往要出现沙纹 ,沙纹成因各家的解释不一· 白玉川 ,罗纪生的观点是 :沙纹的尺度较小 ,主要是由于明渠层流不稳定性波或床面近壁流层中小尺度拟序结构发展演化所致· 当床面边界附近扰动波或拟序结构以及水流自身所产生的床面底部切应力大于Shields切应力后 ,床面即产生响应 ,形成沙纹 ;如果扰动所产生的扰动切应力频率接近床面泥沙固有频率 ,则产生与泥沙颗粒的共振 ,这种现象也称之为“泥沙的检波性质” ,此时床面发生最大响应 ,沙纹发展速度也最快·