沙纹床面形态与紊流特性的相关性研究

沙纹床面形态影响着水流阻力及河床的稳定性,是研究水沙运动规律的重要突破口。本文基于二维概化沙纹床面的水槽试验,利用声学多普勒流速仪(ADV)及染色液流态显示装置对沙纹床面近壁区的紊流特性和紊流结构进行测量,研究了沙纹床面形态与紊流特性的相关性。研究表明,沙纹形态与紊流特性密切相关,沙纹形态的尺度与紊流结构的尺度具有相似性。

椭圆余弦波作用下沙纹演化的试验研究

在波浪水槽中对椭圆余弦波作用下沙纹形成及动力机制进行试验研究。采用不同粒径(0.16mm、0.4mm、1mm)的3种非粘性泥沙在相同的条件下进行试验,随着粒径的增大,泥沙越难起动,观测范围内的沙纹个数也越多,相应的尺度越小。对粒径为0.4mm的泥沙进行研究,得出沙纹波长、波高与时间成正弦周期关系。对比平底和沙纹波谷的近底剪应力,沙纹波谷处的剪应力是平底时的1.4倍。沙纹的成因不单是水流与泥沙相互作用的结果,其周期性还受反射波的影响。沙纹波陡与波浪水质点近底床水平运动方向的轨迹直径、波浪流的无量纲切应力等呈函数关系,其对称性与波浪的底部质量输移速率和水质点近底床的水平方向运动速率的比值有关,随着比值的增大,沙纹的不对称性增大。

波浪作用下沙纹床面底层流动特性研究

涡动沙纹很大程度决定着床面阻力和波浪衰减,针对涡动沙纹作用下的绕流结构具有强二维特性,建立了立面二维曲线坐标下的数值模型。利用国外公开发表的试验数据进行验证,表明模型能模拟波浪作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性,对底层流动的紊动特性、床面剪切应力的随时间、空间的变化以及涡动结构的尺度分别进行了讨论。

沙纹床面上波流共同作用的数值模拟

海滨地区广泛存在涡动沙纹,它很大程度上决定着波浪衰减和泥沙运动。本文建立了描述波浪、水流共同作用下底层流动特性的立面二维数值模型。模型成功模拟了波浪、水流共同作用下底层分离涡随时间、空间变化的动力特性,文中还进一步对波浪、水流不同对比情况下的涡动力特性及分离涡尺度和紊动特性进行了讨论。

浅水非线性波作用下沙纹床面底层流动特性试验研究

通过水槽试验研究浅水非线性波作用下沙纹床面底层流动特性,利用CCD图像技术观测分析非对称沙纹的形成和演化规律。利用声学多普勒测速仪(ADV)测量非对称沙纹底床上的流场,得到了不同波高、周期、水深条件下的沙纹峰顶和谷底断面的瞬时速度。试验结果分析表明,浅水非线性波作用下床面上形成非对称沙纹,其近底流速具有较强紊动特性,随着距床面距离的增大紊动强度逐渐减弱。在水流方向改变时,沙纹背部具有明显漩涡运动。沙纹背后形成的漩涡能起到维持沙纹的作用。浅水非线性波作用下,沙纹的形成原因主要是床面泥沙颗粒在非对称流动和床面近壁粘性底层中漩涡结构动力作用下,作受迫摆动、推移所致。

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·

波浪作用下涡动沙纹床面的悬沙运动数值研究

作者建立了波浪作用下的立面二维水沙数值模型,并对涡动沙纹床面的悬沙运动进行研究。结果表明:悬沙颗粒的沉降速度较小时,其运动受到涡动力特性的影响比较显著。而且在沙纹波峰断面和沙纹波谷断面,半个周期里都可以观察到两个悬沙分布的峰值,主要是由于流动分离形成分离涡,涡运动携带泥沙颗粒而出现峰值。计算成果在一定程度反映了涡动结构对悬沙运动的影响。

沙纹分布的流体力学模拟

在考察、分析沙纹基本特性的基础上 ,从流体力学的绕流理论出发 ,以两种常见的简单绕流流动为例 ,即平表面等速直线流动和绕流圆柱体形障碍物的流动 ,对沙纹的分布问题进行力学模拟 ,其模拟结果与实际情况十分吻合 .对于其它类型的简单绕流流动也可以通过同样方法进行模拟 ;对于实际中存在的较为复杂的绕流流动 ,可以通过流动迭加理论予以模拟 .从而得出结论 :沙纹表征的是气流流动的能量特征曲线 ,理想不可压缩气流流动状态下 。

沙纹弹道成因理论评析

运用风沙地貌蚀积原理对长期风靡于风沙地貌学研究领域的R·A·拜格诺跃移质冲击起动学说进行了评析,在肯定该学说正确方面和历史贡献的同时,对其中的沙纹弹道成因理论提出了异议。在分析弹道理论特点后认为,跃移质等量、等高、等距的三等特性是拜氏冲击起动学说在沙纹成因上的具体运用和观点的集中体现。分析认为沙粒跃移特性轨迹只存在于少量的跃移质中,且很少具有连续性;它不能取代普遍存在于风沙移动之中沙粒的3种运动形式,也无法体现沙粒两种起动的相互关系和沙粒在移动中所表现出来的高低不一,移距长短不同的差异性和分选性。评析强调沙粒起动和沙粒运移的多样性,在寻求它们的规律时,不应简化其多样性,或追求运动的单一性和特殊性。实验证明,沙纹无论在初始的形成阶段,还是在后续的演进阶段,均有风力起动和冲击起动的参与,而不是跃移质单一冲击的结果。沙纹有规则的排列主要是贴地夹沙气流周期性脉动的反映,而不是跃移质特性轨迹的重演。

明渠沙纹床面湍流结构实验研究

沙纹的形成会显著地影响床面附近的湍流结构。论文通过水槽实验,模拟了天然河流中沙纹的形成,并针对最终形成的稳定沙纹形态,利用声学Doppler测速仪采集了沙纹床面不同位置处的高频流速过程数据,继而对脉动强度、雷诺应力、湍流动能及自相关函数等湍流特征量进行了计算,并分析了沙纹床面湍流结构和特点,为进一步的理论和数值研究提供了有价值的参考数据和依据。

基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球"浸入边界法和基于"事件驱动"模型和"弹簧-阻尼"模型的颗粒离散元法,数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变.通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算,并与经典输沙率公式进行对比,验证了模型的精度和可靠性.随后,对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟,计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线.研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(t Ub/h≈100)发展出数条沙纹,随后沙纹逐渐发展,在t Ub/h为1 600～2 000时,沙纹发生合并.在沙纹数量不变的条件下,沙纹高度随时间近似呈线性增长,而沙纹的长度的平均值却保持恒定.随着沙纹高度的增大,输沙率和体积流速逐渐降低,沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时,沙纹高度快速增加,输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃.在同等的水流强度条件下,有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.

风成沙纹的研究进展

近半个多世纪以来国内外学者对沙纹各方面有了详尽的研究,使沙纹研究理论逐渐趋向系统化和完善化。在扼要回顾了风成沙纹的研究历史的同时,分别从沙纹形态、沙纹形成过程和沙纹形成中的颗粒分异机制等几方面阐述了沙纹研究的现状及主要进展。最后根据沙纹研究的现状和目前沙纹研究中存在的问题,对将来的研究趋势作了初步探讨。

波浪作用下沙纹形态的实验研究

研究沙纹形成的机理及沙纹特征与波浪条件的关系。

气流水平涡度对沙纹形成的动力作用

从分析沙面流体边界层特征入手,导出了与沙面平行而与气流垂直的水平涡度分量ξy和高度成倒数的关系,说明气流经过沙面是高度有旋的。因此,气流质点在做水平运动的同时做旋转运动,其结果形成类似摆线的波动。不同尺度的波相互叠加,通过自组织形成有序的波动。沙粒在波谷被风蚀,在波峰堆积,最终形成沙波和沙纹。

波浪作用下沙纹床面上底部剪应力的实验研究

在沙质床面上传播的波浪当其强度超过一定条件时,将使沙质床面的形态发生变化而形成沙纹床面,沙纹床面上的底部剪应力与平床面上的底部剪应力有不同的形成机理。而沙纹床面上底部剪应力的研究是波浪沿程衰减和输沙研究的基础。本研究成功地实测了沙纹床面上的底面剪应力,并根据实验成果给出了沙纹床面底部摩阻系数和剪应力的计算公式。

沙纹床面摩阻引起的波高沿程衰减

在浅水区的砂质床面上传播的波浪当其强度达到一定条件后,将使底床形成沙纹床面;由于沙纹床面上的底部剪应力远大于平床面上的底部剪应力,因此,在沙纹床面上传播的波浪比在平床面上传播的波浪的衰减要快得多。 本研究在波浪水槽中对沙纹床面上传播的波浪的沿程衰减进行了探讨,同时,对水槽两侧壁边界层摩阻对波高衰减的影响做了分析。 本文给出的理论成果与实验成果的比较表明,两者符合很好。

明渠沙纹形成的试验研究

在单向水槽中对沙纹的形成及演化机理进行试验研究 ,通过改变床面剪切应力来研究沙纹的形成过程 ,探讨了床面存在的主要扰动形式 。

在不同形状的防沙墙下沙纹形状及分布分析

论述了在塔里木盆地皮山-沙雅连线西北的塔克拉玛干沙漠西北边缘地带的流动沙漠区域进行的现场风洞试验.在试验中采用了四种形状的防沙墙,分别为直线型、半圆型、三角型、M字型.观测和测试了用不同形状的防沙墙时,沙波形成和性质的改变,同时进行了对比分析,为今后的计算机数值模拟提供了试验依据.

沙纹形成问题研究综述

水底沙纹形成问题是自然界的常见问题。沙纹的存在可以改变河床阻力,造成边界层的分离。本文综述了水底泥沙沙纹起动和发展研究的基本理论与主要研究成果,并重点介绍了沙纹问题的数值研究现状。

波浪作用下沙纹上含沙量的时变特征

对规则波、不规则波和波群作用下沙纹峰上悬移质含沙量与波浪形态的关系进行了实验研究。结果表明:在规则波情况下的波峰和波谷时刻,含沙量都出现了相应的峰值,但波谷时刻对应的峰值要大于波峰时刻的峰值;在波群情况下,含沙量对于波浪的响应主要集中在波群周期上,在短波频率上所占分量很小。含沙量的时间平均值随着调制系数的增大而减小,但其波动部分的幅值是随着调制系数的增大而增大;不规则波情况下只在大波经过沙纹峰上的时刻,才有明显的泥沙悬移现象,含沙量主要是响应于波列中波群出现的频率,这表现在含沙量能量谱的峰值对应于波浪包络能量谱的峰值。实验结果也显示了波群和不规则波波高变化导致的泥沙悬移运动的滞后现象。