一种正弦派生曲线弯道的演变试验研究

不同河流形态间的交替转化,伴随着河流阻力规律的变化。为研究基础河型的演化规律,在实验室条件下,通过控制初始河道弯曲度、河宽以及流量,对正弦派生曲线弯道短期演变的特征规律,如河岸线、水流动力轴线和地形变化等进行了研究。结果清晰地表明了不同工况下河道的不同发展特征,＂大水＂条件下河道容易渠道化,河岸线趋于顺直,河道宽度主要受到初始河道弯曲度及水流流量的影响。总体来看,用非黏性泥沙作为实验材料,实验河道易向着游荡型方向发展,但在一定的时间段内,存在着典型弯曲河道演变特征,且可明显地观察到床面对流量的非线性响应特征。实验结果能为天然河流的平面形态演变研究提供支持。

正弦派生曲线弯道水流结构特征实验研究

探究窄深型弯曲河段三维水流结构,使用声学多普勒流速仪(ADV)对正弦派生弯道水槽中40个断面12160个测点三维水流数据进行加密测量研究,研究结果表明:弯曲岸壁形态改变了水流结构特征,曲率为0断面附近区域为水流动力轴线在左右两岸摆动的过渡区;在左右两岸侧,纵向流速沿程波动分布,波动周期相同相位相差180°,且在凹岸处存在小流速区;各断面存在中心区近底主环流和近岸近水面反向小环流,部分断面近岸近底还出现与中心环流同向的小环流,环流强度最小值出现在各弯段弯顶附近。实验数据可为连续多个弯道数值模拟提供数据验证参考。

连续弯道水流特性的试验研究

对正弦派生曲线生成的连续弯曲型河道开展试验,采用日本ACM2-RS型X-Y方向2轴电磁流速计对水流流速进行了测量,并对水流特性进行了分析。结果表明:连续弯曲河道纵向时均流速在弯顶处靠近凸岸处较大,而凹岸处较小,且沿河宽的分布沿程是变化发展的;弯顶水流纵向时均流速分布接近抛物线型,最大流速点位于上部水面以下,整体上大下小,而顺直过渡段水流纵向时均流速分布最大流速点位于底部,整体上小下大;连续弯曲河道水流阻力系数随着过水断面平均水深的增大而增大,随着过水断面宽深比的增大而减小。

摆动河槽水动力稳定性特征分析

河流形态与水动力结构息息相关,形态约束水动力结构,水动力结构则通过泥沙运动进一步塑造形态,在自然界河流中形成一对辩证互馈关系.天然河流形态形式多样,大致可以分为顺直、微弯、分叉和散乱游荡几种类型,其中微弯及多个弯曲构成的河型为河流动力演化中最重要的一环.多个弯曲构成的河型可用正弦派生曲线来描述,它也是天然河流主槽与水动力结构复杂相互作用的结果.作为探讨这一过程的力学作用机理,构建摆动槽道并研究槽道摆动与其内部流动结构的互馈关系,既是流体力学研究的热点内容,也是目前河流动力过程研究的基础内容.在此重点讨论这一互馈关系前一部分,即水流对摆动边界的响应.文中建立了随体坐标系下摆动河槽与内部水流动力响应理论模型,通过给定摆动弯曲槽道的不同特征参数,研究讨论了正弦派生型摆动边界下的槽道水流动力稳定性特征,明确了弯曲槽道摆动对其内部主流及扰动水流结构的影响,确定弯曲槽道摆动波数、摆动频率对扰动流发展影响的相应参数定量关系,得到了槽道弯曲度和摆动特征对其内部水流不同尺度扰动影响的阈值选择性范围.

冲积河湾裁弯形式与几何临界形态

自然裁弯是冲积河湾演变的突变事件,它既是某个河湾走向消亡的终点,也是新的河湾发育的起点,但裁弯形式和几何临界形态的规律尚未得到完全揭示。通过解读众多河湾裁弯的卫星图像,依据河湾裁弯的平面形态和动力条件,将裁弯形式分为串沟型、崩岸型和冲切型。统计表明,河湾的颈口宽度与平均河宽比值从大到小依次是串沟型、冲切型和崩岸型,而河湾裁弯时弯曲率从高到低依次是崩岸型、冲切型和串沟型。通过定义河湾形态参数,测量了16个正裁弯的河湾形态,并确定河湾发生裁弯时河道中心线的弯曲率为极限弯曲率。极限弯曲率可作为自然裁弯的一个临界形态参数,河湾裁弯所能达到的极限弯曲率一般远小于理论最大弯曲率。不同的裁弯形式对应不同的极限弯曲率,这正好回答为何冲积河湾裁弯时的极限弯曲率并不是一个定值,而是处在某一个数值区间。正弦派生曲线裁弯的临界形态参数是最大偏角等于121°。Kinoshita派生曲线的裁弯临界形态参数是最大偏角等于121°、偏斜度系数0.16和丰盈度系数0.29,且只要其中一个参数达到临界值,河湾曲线便形成"8"字形,理论上发生自然裁弯。

河湾流路方程在黄河下游河道整治中的应用

在正弦派生曲线理论的基础上,提出了适合黄河下游游荡型河道的河湾整治流路基本方程,并对目前整治工程不完善的河段规划治导线进行了修订,对规划流路布设进行了检验。结果表明:现行规划工程布局基本符合正弦派生曲线流路,符合河道自然发展规律,印证了微弯型整治方案是符合黄河下游实际情况的较好方案。

山区航道水流流路规律研究

通过对西南地区山区河流实测资料进行分析整理 ,总结出 :正弦派生曲线水流线路、协调的水流方向、良好的水流转向角及较大的弯曲半径为理想的航道水流流路 。

连续弯道水槽水流结构与床面形态试验研究

连续曲率弯曲河道是河流的常态,而河道弯曲引起的二次流是河床地形和河岸变动的主要动力.采用三维多普勒高级点式流速仪和Trimble TX8三维扫描仪,分别对模型40个断面和床面形态进行三维流速数据和床面形态数据采集.通过水流和床面试验,研究了连续曲率弯道水槽水流结构变化与床面形态短期演变特性.研究结果表明:模型弯道处水面发生扭曲,最大横比降位于各弯段弯顶下游.纵向流速在垂向上呈先增大后减小的趋势,这体现了明渠水流最大流速发生在自由水面以下.各断面存在一个主环流和一个反向小环流,部分断面出现3个或更多环流结构,且环流出现的位置横向流速在垂向上改变方向.环流强度最小值位于各弯段弯顶附近.在各弯段凹岸附近,纵向流速存在小流速区,床面形态均存在与小流速区相对应的床面平整区.活体柔性植被均匀种植的工况Run-4最大淤积和冲刷深度均小于无植被种植的工况Run-3,这说明弯曲边界引发的二次环流是河床地形的主要动力.活体柔性植被根系和植株对床沙和水流均产生影响,起到了增大河床阻力的作用.

在鸭绿江整治中对山区河流弯道弯曲半径的初步探讨

鸭绿江山区河流两侧一般受地形的约束,坡陡流急,水流线路不易改变,如果在某些河段弯道处采取单一圆弧处理,有时会较大地改变河流走向,带来较多的工程量。通过利用拉宾和里奥普提出的正弦派生曲线理论,对鸭绿江山区河流弯道情况进行分析,探讨选取山区河流弯道水流弯曲半径新的方法,采取具有变化曲率半径的正弦派生曲线来规划航道走向,起到了优化环境的作用。

弯曲型河道水流流速分布及阻力试验

弯曲型河道水流运动规律及阻力特性在水利工程许多领域中占有十分重要的位置.对正弦派生曲线、梯形断面的连续弯曲型河道开展了物理模型试验,采用日本ACM2-RS型X-Y方向2轴电磁流速计对水流流速进行了测量,并对水流阻力进行了分析.结果表明,弯顶水流纵向时均流速分布接近抛物线型,最大流速点位于上部水面以下,整体上大下小,而顺直过渡段水流纵向时均流速分布最大流速点位于底部,整体上小下大;弯道段纵向垂线平均流速横向分布沿程依次为自由涡、均匀流及强迫涡分布;弯顶中垂线水流横向环流随流量、水深的增大而增大,零流速点的相对水深值大致在0.4～0.6范围以内;弯曲型河道水流阻力系数随着过水断面平均水深、水力半径的增大而增大,随着过水断面宽深比的增大而减小.

多沙河流治导线流路方程研究

为确定多沙河流河道整治治导线的形态特征,本文试图建立治导线流路方程,以便定量描述自然状态下主流线变化规律。通过整理黄河模型试验资料,发现诸断面最大单宽流量连线所给出的水流动力轴线与河道合理整治后的流路均呈曲率半径逐渐变化的圆滑曲线形式,因此可以正弦派生曲线作为描述自然冲积河流治导线流路变化的方程框架。通过理论探讨、天然河流与室内模型资料分析,建立了治导线流路特征参数同河流水力因子之间的定量关系式。其中弯曲系数及弯道幅度计算式采用61组取自黄河、长江、淮河干支流以及模型试验典型河段的资料进行拟合;流路起始角计算式考虑了实际作用流量与整治流量差异的影响,引入造床流量下流速与河床启冲流速来反映河床的相对稳定性;弯道跨度计算式考虑了弯道环流强度的作用,从而所建立的治导线流路方程不仅适用于砂质河床、卵石河床及砂卵石河床的稳定流路变化,还能描述实际作用流量变化时河道主流线"小水上提、大水下挫"的变化规律。此外,利用黄河上下游游荡型典型河段及寻峪河卵石河段资料对本文方法进行了验证与应用。

大宽深比变曲率弯道水动力结构大涡模拟研究

弯曲型河流是自然界常见的河流形态,弯曲引起主流、二次流与湍流紊动相互作用,产生复杂的水动力结构,影响河流演变和物质输运。目前相关数值模拟及试验研究多针对小宽深、常曲率弯道,与天然河流大宽深、变曲率形态存在较大差异,为了揭示与天然河流相近的弯道水流运动特性,本文针对大宽深比正弦派生曲线弯道三维水流运动进行大涡数值(LES)模拟研究,结果表明:零曲率断面中心区域二次流沿河宽方向分布最为均匀,回流区范围最大,在大宽深比弯道中,回流区范围最大可达断面面积的15.5%。大宽深比弯道中部流动受到弯曲边界约束较弱,主流区内顺流向流速分布较小宽深比工况更接近于顺直矩形明渠,大宽深比情况下,主流核心区集中在弯道中线附近0.5~1倍水深范围,随着宽深比增大,弯顶附近涡量绝对值增大,对下游的影响范围增大。大宽深比弯道中水流紊动能整体水平较低,紊动能等值线分布和顺流向时均流速等值线一样,均受二次流影响,主流区中心紊动能最小,主流和局部回流区间的剪切层紊动能最大。