长江河口北槽弯道横向次生流、混合与层化

2013年2月25至26日(枯季/大潮)、7月23至24日(洪季/大潮)分别在长江河口北槽弯道沿着3条横向测线CS6、CSW和CS3(每条测线上有北、中、南3个站位)测得水位、流速、盐度和含沙量的时间序列资料。通过这些资料的定量计算、分析,理解弯道横向次生流、混合与层化的时、空变化和各种物理机制及其相对重要性。3条横向测线均存在横向次生流,且横向测线CS3还出现横向次生环流。枯、洪季,仅在横向测线CS6、CS3出现环状欧拉余流。枯、洪季,沿着横向测线CS3,3个站位的横向斜压梯度比离心加速度和科氏加速度都大1~2个数量级,而后两项大小接近且数量级都是10-4,罗斯贝数在1左右。这些表明:横向次生流受横向斜压梯度、离心加速度和科氏加速度共同驱动,前一项相对于后两项更加重要。沿着3条横向测线:1)枯、洪季大潮,平均势能差异分别约为54.23、66.56 J/m3,表明洪季层化强于枯季;2)枯季涨潮,平均的势能差异普遍小于落潮,而洪季涨潮,平均的势能差异普遍大于落潮,表明枯、洪季湍流混合均存在潮汐不对称性;3)枯季,由横向、纵向水深平均应变(ΦS-y、ΦS-x)引起的势能差异变化率的范围分别是-67×10^(-3)~37×10^(-3)、-7×10^(-3)~11×10^(-3)W/m^3,而洪季,相应的范围分别是-45×10^(-3)~30×10^(-3)、-14×10^(-3)~13×10^(-3)W/m^3,表明枯、洪季差异不明显,横向水深平均应变(ΦS-y)均大于纵向水深平均应变(ΦS-x),前项对水体混合与层化的影响更大;4)枯季大潮,纵向平流(ΦA-x)、横向平流(ΦA-y)、纵向水深平均应变(ΦS-x)和横向水深平均应变(ΦS-y)的潮汐平均绝对值占四项总和之比例分别为26%、33%、18%和23%,而洪季大潮,相应的值的比例分别为13%、9%、22%和56%,表明枯季,平流项(ΦA-y最大)对混合与层化的控制可能占主导地位;洪季,应变项(ΦS-y最大)可能占主导地位。无量纲数(m)被用于判别横向平流(ΦA-y)、横向水深-平均应变(ΦS-y)的相对重要性。一个概念性模式被用于显示层化与横向次生流/环流的相互关系。

沙波迎流面流速分布公式

为进一步揭示沙波水流运动特性及提高沙波迎流面流速计算精度,采用两种概化模型,通过小水深沙波水槽试验,运用声学多普勒流速仪,对沙波沿程及垂线流速分布进行了测量。基于乐培九次生流理论公式,结合沙波水流特性,假定次生流在沙波迎流面上处于一个不断发展演变的过程,提出了发展函数和修正函数,得到了适用于沙波迎流面的流速垂线分布公式。研究结果表明:相对水深越小,沙波地形对迎流面水流作用越显著,使得上部流速减小、近底流速增大,且越靠近波峰这种现象越明显;建立的沙波流速公式与实测值吻合较好,能够准确地反映出迎流面流速变化规律。

长江中下游崩岸机理中的水流泥沙运动条件

影响长江中下游河道崩岸的自然因素有两大类:一类是水流泥沙运动条件;另一类是河床边界条件。就水流泥沙运动条件对河道崩岸机理进行了研究,包括水流的动力作用、近岸的水力条件、泥沙运动条件以及次生流影响等。以资料较为全面的长江中下游来家铺弯道的河道断面、流速资料对河岸崩岸机理进行了分析,为进一步认识长江中下游河道崩岸发生的实质提供借鉴。

河道复杂采砂坑附近流场的数值模拟

数值模拟研究紊流问题的关键是充分考虑雷诺应力的差异,应用各向异性三维代数应力紊流数学模型(ASM)模拟研究了天然河道的次生流问题。以方形管道为算例与试验的比较表明,所应用的ASM模型精度较高;将ASM与非结构网格有机结合模拟分析河道复杂采砂坑,计算成果与前人结果类比,令人满意。ASM模型为研究河床稳定与变形提供了有力工具。分析表明,采砂坑使原稳定的水流形态发生变化,沿主流方向形成纵向涡旋导致采砂坑上游缘口冲刷,坑内的横向次生流则造成横向侵蚀;紊动特性研究表明采砂坑严重影响河床稳定。

顺直河道采沙坑水流的三维数值模拟

建立各向异性三维代数应力紊流数学模型(ASM)克服了各向同性紊流模型的缺点,模拟出顺直河道中次生流现象;与实验成果的比较分析证明了该三维紊流模型有良好的准确性。运用该数学模型对采沙坑周围水流进行分析,结果表明河床上出现采沙坑后不但沿主流会造成纵向涡旋的坑上游缘口冲刷,横断面坑内次生流亦对河床有横向侵蚀,原有流态的变化迫使河床变形调整以趋向新的平衡。运用该数学模型能阐明次生流以及纵向涡旋对河床变形的作用,可模拟分析河道采沙对河床形态调整的影响,对河道采沙的科学决策和管理有积极意义。

四桨船伴流场研究

与单桨船不同,四桨船各螺旋桨在运转过程中负荷不同。当前四桨船推进器的设计多以一个干扰因子来表征内外桨负荷差,而一个干扰因子难以反映内外桨负荷差产生的原因,因此往往给设计带来困难。本文使用CFD方法对四桨船内外桨负荷分配问题进行研究,首先以大连理工大学拖曳水池的PM06模型为基础进行不确定度分析,验证了该数值计算方法的准确性,然后对本文所研究的四桨船进行研究。结果表明四桨船内桨负荷大于外桨,且负荷差产生的原因主要有三个方面:(1)船体形状造成的船尾流场不均匀性对桨的影响;(2)内外桨在敞水中相互间产生的干扰;(3)内外桨之间的干扰在船尾不均匀流场中的合成。据此,本文将四桨船伴流分为三部分:原生伴流、干扰伴流和次生伴流,并计算了该船各部分伴流所占比例,以更好地指导四桨船的推进器设计。

顺直河道采砂效应平面二维数值模拟

不规范的河道采砂对堤岸防护、通航及水工建筑物安全等均会产生较大影响。运用平面二维数学模型,概化河道采砂有关影响因素后,模拟并探讨了矩形采沙坑对河床产生的不同程度的影响。结果表明,沙坑改变了局部河道的水流结构和含沙浓度分布,在不同河段、不同方向上,沙坑对河床床面变形影响是不一样的。对沙坑变形影响的细致分析有助于进行科学采砂规划。

淤泥临界冲刷切应力研究

本文采用一个用有机玻璃制造的小型变坡水槽,对河口淤泥作了冲刷实验。淤泥中含有足够数量的淤泥颗粒。复杂的机理控制着这种泥沙的冲刷。 实验所得临界冲刷切应力的数值稍大于其他类似实验的结果。文中对实验的结果作了分析,并将各种实验方法作了初步比较。 对河口淤泥的水力实验采用可移动的实验装置十分有必要,这样可以使试样尽可能地保持它的原样。淤泥的临界切应力数值与淤泥试样的状况关系十分密切,当淤泥试样的密度增大时,它的临界冲刷切应力明显增大。