设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体

河流扇作为近年来的沉积学热点问题,引起了诸多学者的广泛关注。为研究自然界中不同气候条件下河流扇的发育特征,通过控制变量法针对河流扇设计水槽实验。基于自然界中的气候条件模拟了固定流速和变流速两种流速状态下河流扇的发育。针对不同流态下发育的河流扇沉积体,分析河流扇的发育特征并建立相应的河流扇沉积模式。结果表明:典型河流扇在发育早期通过漫流迅速形成无朵叶体、扇体形态完整的河流扇;在发育中期,河口坝周期性地出现和消失,河流扇的中部和两侧交替发育,生长速度放缓;在发育末期,受限于可容纳空间的大小河流扇基本不发育,河道趋于稳定并沿末端发育朵叶体。河流扇的发育主要受早期的漫流沉积、中后期的河道摆动沉积和朵叶体沉积的影响,不同流速条件下河流扇的河道摆动沉积和朵叶体沉积存在较大差异。可见,河流扇的发育是水流流速、河道形态与沉积体3个因素相互作用影响的结果。

基于正交设计的土体细颗粒迁移积聚水槽实验研究

在中国形成泥石流的主要物质来源是一种包含了黏粒、粉粒、砂砾和砾石等组分的"宽级配弱固结土",土体细颗粒迁移、积聚、阻滞效应将导致泥石流的触发。基于上述认识,考虑斜坡坡度、降雨时间、降雨强度等3个影响土体细颗粒迁移积聚特征的因素,利用正交原理设计水槽实验,对各因素进行了敏感性分析。在实验基础上,将细颗粒增量作为表征在人工降雨水槽实验中土体运移效应的评价指标,运用极差、方差和回归分析等手段,对影响细颗粒迁移积聚特征的3个因素进行分析。结果表明:基于正交原理设计的人工降雨水槽实验,大大缩短了实验周期;影响土体颗粒运移效应的诸多因素中,降雨历时是主要因素,以下依次是降雨强度、斜坡坡度;其中,降雨强度和降雨历时是土体颗粒迁移的决定性因素,斜坡坡度的影响次之;细颗粒增量y与控制因素降雨强度x1与降雨历时x2可用y=(40.92-0.83x1-0.0045x21-8.12x31+81.26x2)/(1-0.42x1+619.8x2)统计关系式来描述。所得结果对土体细颗粒积聚迁移的确定提供了依据,为细颗粒运移效应的深入研究提供了参考。

米字型人工鱼礁流场数值模拟与水槽实验的比较

采用LES(大涡模拟)紊流模式,对定常来流速度下按实际尺寸缩小10倍的米字型人工鱼礁单体附近流场进行三维数值模拟,同时利用相同尺寸的水槽实验验证该数值计算方法的可行性。在数值模拟与水槽实验中分别设置了0.2、0.4、0.6、0.8、1.0以及1.2m/s6种来流速度,并比较礁体附近三个方向上流速变化的情况。结果表明,数值模拟中约80%的测点速度与水槽实验结果吻合。而且,具有较大差异的值都发生在礁体上方开口中心位置附近的测点,该位置流场变化强烈且水槽实验测量有一定难度,易产生误差,因此对比结果差异较大是可允许的。综合比较结果,初步认为利用三维数值模拟计算方法模拟人工鱼礁的流场变化是可行的,今后可利用该数值计算方法替代复杂的水槽实验,甚至可以对实际投放礁体的原始规格以及所放置的海域进行等比例模拟,更清晰准确地对人工鱼礁周围流场变化进行详细研究。同时对不同结构的人工鱼礁和人工鱼礁群周围的流场进行系统分析,从而实现人工鱼礁的优化配置。

异重流潜入现象探讨Ⅰ:水槽实验与理论分析成果回顾

本文对异重流潜入现象中各种潜入点水槽实验、理论分析和数值计算成果进行回顾,并探讨不同进口水沙条件下异重流潜入点的水沙特性、潜入点与其下游异重流水沙因子的关系,全文以两篇分述。本篇介绍各家用浑水、盐水和冷水进行实验,在已知进口水沙(盐水或冷水)条件下,获得潜入点断面的密度Froude数Fp,且Fp为某一定值;水库壅水区Fp值在0.5~0.8之间,引航道口门处Fp在0.25左右。在潜入点理论分析、模型数值计算方面,探讨了潜入点Fp值同掺混系数、阻力系数以及潜入点下游异重流深度hd与潜入点水深Fp之比的关系;各家建立不同概化图形并应用能量、动量方程进行分析,求得不同形式的Fp表达式;有学者利用紊流水沙模型进行数值计算与水槽实验的Fp值或hp进行对比,获得基本符合实际的结果。

地形引起的重力内波的水槽实验

利用不同密度分层的盐水模拟稳定层结大气条件 ,在水槽中成功地模拟了两层大气分层流中二维山脊引起的地形波 。

山谷中热力环流的水槽实验研究

利用拖曳式水槽,采用影像法,模拟了山谷谷底存在地面加热时流场特征;讨论了环境风场对它的影响。发现在中性大气条件下,当静风时,山谷谷底受热形成的对流活动可向上伸展,充满整个山谷;当有风时,背风侧的对流被下沉气流抑制,对流被推到下风一侧,且风速愈大,对流活动范围愈小,对流产生的湍流也限于山谷的下风侧,如果山谷中存在一强低悬逆温,不论在静止的、或者不同速度的环境风场下,密度差形成的界面都起一个很强的顶盖作用,使山谷中加热引起的对流限制在界面下面,当山谷中存在一接地送温层,谷底受热产生的对流活动会侵蚀接地逆温,形成一个浅对流边界层,层顶是一逆温层,逆温层上下之间的空气交换甚小,当有气流流过,逆温层界面以上会产生波动,而山谷内则是对流形成的湍流活动。

异重流潜入现象探讨Ⅱ:浑水水槽实验与分析

在上篇回顾异重流潜入现象研究中前人水槽实验情况和理论分析成果的基础上,本篇首先对浑水水槽实验测得的潜入点上下游沿程断面上的流速分布、含沙量分布及浑水潜入形成异重流的交界面曲线等数据进行分析,求得不同进槽流量、含沙量的进口水沙条件下潜入点处的密度Froude数Fp判别值;其次考虑潜入点Fp与其下游异重流水深hd等因素的关系,进行水库和引航道异重流潜入的理论分析,应用能量方程、动量方程分析得到忽略掺混的4种Fp与hd/hp的表达式,并与实验数据作比较,两者较接近;再将以往各学者的理论研究Fp的表达式略作推演,获得同本文推导公式近似或相同的公式,以便同本文实验资料进行比较。

不同高度潜堤减淤效果水槽实验研究

潜堤高程是淤泥质海岸潜堤设计的关键要素之一。为了确定潜堤高程,首先根据已建潜堤工程的经验分析得出潜堤减淤的主要机理,即主要是阻挡了浮泥或底部高含沙水体直接进入航道和缩短了含沙水体进入航道的时间,进而在长水槽中开展了一系列比对实验,主要研究不同堤顶高程时的水流紊动、堤前浮泥起动、浮泥层厚度变化、堤后航道泥沙落淤情况等,并以此作为比选堤顶高度的基本依据。实验结果表明当相对高度即潜堤高度与堤前水深之比为0.2～0.5时,便有较好的减淤效果。

辫状河－扇三角洲形成及演变的水槽实验

本文通过辫状河－扇三角洲湖退沉积过程的模拟实验研究，探讨了不同湖水深度下辫状河－扇三角洲的定量演变趋势。

基于WINCE的动力水槽实验室内模拟量采集节点研究

介绍了一种水槽实验室内的模拟信号传感器采集方法,通过ARM9自带的A/D转换器,实现了模拟量采集和模数转换;软件平台采用Windows CE6.0嵌入式操作系统,利用VS2005完成了应用程序的开发,能够实时显示采样值,通过中值滤波和平均滤波的方法保证采样质量,最后通过网络传输的方式将数据反馈给远程PC机。

悬移质挟沙能力水槽实验方法探讨

水流挟沙能力是研究悬移质泥沙输移的核心问题之一。对不均匀泥沙,由于细颗粒调整的滞后性,传统循环水槽实验较难获取悬移质与河床泥沙相对应的输沙平衡条件,需要大量精度不高的浓度测量和无法避免细沙在系统中循环影响实验精度。本文通过改进水槽进口加沙和增加出口过滤系统,并采用不平衡淤积方式逼近平衡输沙进行实验和研究挟沙。实验得到从淤积趋近平衡的水沙条件,将实验结果与传统实验测量结果及挟沙能力公式计算结果进行比较,结果初步表明:(1)改进系统能更准确控制进口加沙和得到近似平衡的悬移质泥沙浓度、提高悬移质输沙实验的可靠性;(2)解决了传统水槽实验难以获得平衡泥沙浓度的问题,并避免了频繁而且不准确的浓度测量;(3)初步显示传统实验测量泥沙浓度可能较大地偏大于真实挟沙能力。

利用水槽实验对不同流速下三角洲发育区别的探究

实验借助自制的小型水槽,探究了中等流速和高流速下三角洲发育的区别,结果表明:流速对于三角洲发育的影响主要体现在时间和规模上。不同流速下的发育过程均可划分为高建设期和低建设期。中等流速下三角洲在低建设期横向发育和斜向发育交替进行,而高流速下三角洲在低建设期先横向发育再斜向发育,并且高流速下三角洲砂体发育的时间较长。对于河道和朵叶体来说,中等流速下两者的数量要比高流速下两者的数量多。同一种流速下,不同位置的河道和朵叶体的规模存在区别,一般来说,发育在正前方的河道和朵叶体规模比两侧的规模大,但数量比两侧的要少。

基于线阵CCD的波流调制效应水槽实验研究

波流调制效应是指海面非均匀流场产生的挤压和拉伸,进而导致海面局部小尺度波浪谱发生增强或削弱的效应,它是内波、海底地形、海洋锋面等多种海洋现象能被SAR等微波遥感手段观测到的重要物理机制。波流调制效应非常复杂,与海面风速、波浪谱、流场等因素都有关系,直接在海面上开展精确的实验测量非常困难,且重复性差,而在水槽内可以实现较为精确的测量和重复性。本文给出了在水槽实验室内基于线阵CCD同步获取水面波浪谱和流场的测量方法,克服了传统的传感器无法同步获取波浪谱和水面流场的缺点,并在分层流水槽内对孤立内波产生的非均匀流场的波流调制效应进行了观测。研究结果表明基于线阵CCD的测量方法是研究波流调制效应的有效手段,尤其适合对厘米/毫米波段小尺度波浪谱的波流调制效应的研究。此外,在波长小于3cm时波流调制模型的松弛率与经典模型的预测结果有较大出入,需要进一步深入研究。

珠江蕉门分汊河口分流比水槽实验研究

作为珠江主要的泄洪排沙口门,珠江蕉门主要承泄西北江的径流和泥沙,与虎门通过横向汊道凫洲水道连通,其分水分沙的比例对粤港澳大湾区防洪及通航安全至关重要。针对凫洲水道分流比问题,本文基于蕉门分汊河口的形态特点及地貌特征,设计系列水槽实验,探究凫洲水道分流比、分流比影响因子及其变化趋势等。结果表明:在保证宽度比、深度比和流量比均相似的情况下,该水槽实验可较高精度地模拟蕉门分汊河口分流比。凫洲水道分流比受到蕉门与虎门共同影响:虎门与蕉门的相对流速比越大,凫洲水道分流比越大,其主汊地位越明显。在现有的地貌特征条件下,凫洲水道主支汊转变的阈值是虎门与蕉门相对流速比,约为0.35。研究成果可为蕉门整治、保障其行洪通航安全等提供参考依据。

分层流水槽实验在大气风环境研究中的应用

分层流水槽实验作为一种便捷有力的研究工具,被广泛应用于大气风环境领域的研究之中。它实质上是一种以相似理论和模型实验技术为基础的缩尺流体实验方法。本文先后对密度分层流水槽模拟层结大气流动的实验原理,密度分层的营造以及流场可视化方法进行了系统的梳理,并总结了其在大气风环境研究中的应用现状。以期通过本文的总结梳理,为密度分层水槽实验的设计和应用提供更加系统高效的指导,同时为密度分层流水槽实验在城市通风领域中的应用奠定理论基础。

深水重力流沉积水槽实验研究进展

深水重力流沉积一种重要的沉积类型,目前已在全球发现多个深水油气田,可采储量占全球油气新发现储量已达55%,深水重力流沉积已成为油气增储上产的关键目标。目前深水重力流沉积研究主要是基于露头、岩心、测井及地震资料得到的宏观定性认识,缺乏对沉积过程的定量化研究,而水槽实验是深水重力流沉积过程有效的定量化研究手段,为此本文系统总结了深水重力流水槽实验的试验装置,实验流程,以及在深水重力流沉积过程、沉积特征及主控因素方面的应用进展,在此基础上指出水槽实验研究要进一步完善实验参数及限制条件设定,同时要加强多种技术手段的交叉融合,形成各种技术手段优势互补的系统研究方法,有效指导深水油气勘探及开发。

压缩气体射气扰沙河道清淤水槽实验分析探究

以粉煤灰充当模型沙,以实验室水槽实验的方式,对压缩气体射气扰沙河道清淤课题开展专题分析探究,比较分析不同喷头出气压强、河床与喷头夹角、水流流动速率的扰沙效果,结果可知:提高喷头出气压,可以提高沙泥扰起量,压强与压缩气体射气扰沙的清淤效果,总体呈正相关关系,压缩气体射流压强越大,扰沙清淤效果就相对越好,出于安全考虑,应避免水体发生剧烈波动,在0. 04 Mp以下控制出气压强相对优化;经过比较分析,在实际清淤操作中,当逆水流方向河床与喷头呈45度夹角时相对扰沙效果更为良好,可获取相对最优的清淤效果。分析结果可为同类清淤应用提供研究和技术参考,助力实现安全优质高效的河道清淤操作。

淹水堆石体溢流特性实验室水槽实验分析探究

文章通过实验室水槽实验,对淹水堆石体溢流特性进行了专题实验分析探究,概要介绍了淹水堆石体溢流特性实验室水槽实验;围绕基于高程差异的溢流速率分布和堆石体上层溢流速率分布,进行了淹水堆石体溢流速率的关联特点和淹水堆石体溢流量占比分析,以为淹水堆石体工程应用提供研究和技术参考。

对湖平面下降的定量计算的水槽实验

水体深度变化是沉积体发育的重要影响因素,对于水体深度变化的定量恢复具有重要的意义。利用控制变量法通过除水体深度以外的一切因素保持不变的水槽模拟实验,观察记录模拟扇三角洲向湖方向最大发育位置随湖平面下降的变化,最终得到扇三角洲向湖方向最大前积距离和湖平面下降深度之间的定量关系,通过数据整理分析,建立两者和底形坡度间的几何数学关系,作为湖平面下降的定量恢复的计算公式。为了验证实验的有效性,在增加重复试验的基础上,又进行了两个系列的重复对照试验,以排除人为划定最大位置和物源供应速率改变的影响。

辫状河三角洲沉积特征与生长演变规律——水槽沉积模拟实验研究

辫状河三角洲是一类常见的沉积体系,也是一类常见的油气储层,其沉积特征、沉积演化过程及内部结构一直受到沉积学研究的关注。为明确辫状河三角洲沉积特征、演化过程及生长演变规律,笔者等通过水槽实验模拟辫状河三角洲在平缓的水下底形上逐步发育的过程,并采用三维激光扫描仪、延时拍照等手段进行精准的沉积地貌监测和定量沉积学分析。研究表明:(1)辫状河三角洲沉积演化过程中,三角洲的规模、水流分散样式、沉积体表面地貌特征及沉积物分布样式存在阶段性差异,可据此将实验辫状河三角洲的演化分为3个阶段。(2)在最初阶段,辫状河携带沉积物直接入“湖”堆积并形成朵状河口坝,入“湖”水流无明显的水道化特征,随着朵状河口坝逐渐堆积露出水面,三角洲平原初步形成,平原上河道开始分流并导致后续河口坝转变为连续的弧形坝分布于先期沉积体周缘,这一阶段三角洲平均半径快速增加;进入第二阶段后,三角洲平均半径增速减缓,供给河道进入三角洲平原后形成1~2条主干分流河道与多条次级分流河道,并在主干河道河口区形成弧形的前缘朵体;到第三阶段,三角洲平原面积已经较大,其平均半径增速进一步降低,平原上分流河道的分叉性更强、宽度更小,不同分流河道规模接近并可同时将沉积物输送到三角洲前缘多个部位发生沉积,在同一时期形成多个孤立的小规模的前缘朵体。(3)在整个沉积演化过程中,伴随着三角洲规模的逐渐增大,分流河道的宽度逐步减小、流程变长、分流河道数量逐步增加,三角洲前缘沉积由少量弧形的连续分布朵体转变为多个孤立分布的小规模朵体。(4)在第二、三阶段,分流河道表现为多个侵蚀—回填的自旋回演化过程,形成了多套自旋回沉积复合体。(5)辫状河三角洲前积层存在自下而上、由近向远表现为沉积连续性逐步减小、叠切规律逐渐复杂的特性。通过水槽实验揭示辫状河三角洲沉积演化过程及内部结构,可为露头解剖与地下储层研究提供参考。