卵砾石床面时均流速分布的试验研究

单一明渠水流由于边壁和自由水面的影响,主流区内时均流速沿垂线方向的分布存在多种形式。本试验借用声速多普勒流速仪(Sontec-ADV),测试了不同卵砾石床沙组合条件下的床面时均流速结构。试验表明:垂线流速分布主要受床面糙度R/Ks和水流流态的双重影响,佛汝德数和相对糙度在一定程度上决定了其归属于单一对数分布还是S形曲线分布,而S型曲线的转捩位置Z/H值与相对糙度R/Ks具有较好的相关性。

卵砾石床面的统计粗糙特性

针对代表粒径法难以准确量化床面总体粗糙特性的问题,引入统计学理论研究卵砾石床面的粗糙特性,采用不同粒径组成的天然卵砾石颗粒人工铺制了多种散叠型床面,基于床面激光扫描试验资料并结合他人试验成果,探讨床面粗糙统计参数随颗粒组成的变化关系,分析剖面轮廓及粗糙床面的高程变异特征。结果表明:床面高程频率分布呈负偏态,形态较正态分布陡峭,为峰度Ku>3的高狭峰;高程标准差σz随中值粒径d50的增大而增大,偏度Sk随d50的增大而减小;在d50相同的情况下,人工铺制床面的σz和Sk值均小于清水冲刷粗化床面,而Ku值并无明显差异。剖面轮廓的1维结构函数满足变异函数球状模型,模型参数包括变程、块金值和基台值,变程随d50和σz均呈先减小后增大的趋势变化,块金值、基台值随d50和σz均呈单调递增变化,变化趋势可用2次多项式曲线拟合。床面2维结构函数的分布形态与抽样尺度hx、hy密切相关,hx、hy与d50相当时,2维结构函数分布形态接近圆形,床面粗糙具有各向同性,与清水冲刷粗化床面的结构函数分布规律一致;随着hx、hy的增大,2维结构函数分布形态复杂性明显增加,不同象限的结构函数值差异较大,且不再具有清水冲刷粗化床面结构函数的分布规律,床面粗糙出现各向异性。

卵砾石床面粗化层级配预报试验研究

为研究卵砾石床面的粗化过程,选用粒径范围3~50mm的连续级配卵砾石为试验沙,在长17m、宽0.58m、深0.5m的水槽中进行三组不同流量的清水冲刷试验,测算其床面冲刷深度和粗化层级配,分析卵砾石床面在清水冲刷作用下的变化。结果表明,冲刷流速较小时,粗化后的卵砾石床面粗颗粒的排列仅与初始位置有关,而受到强冲刷时则会完全改变床面初始形态;粗化稳定后,床面中间形成凹槽而不形成沙波等地形;针对卵砾石床面的粗化层级配预报方法的预报值与试验值吻合良好。

不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究

野外风洞实验表明,砾石床面具有捕沙和过沙的双重功能,砾石床面的输、阻性质是不同覆盖度与风动力耦合的结果。当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主;当砾石覆盖度在30%～50%时,低风速条件下(<10 m/s),床面以强烈风积作用为主,高风速条件下(>12 m/s),床面以强烈风蚀为主,其间[(10～12)m/s]床面趋于蚀积平衡状态;当砾石覆盖度大于60%时,随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。研究结果可应用于莫高窟顶沙砾质戈壁的风沙防治,为风沙工程增添新的思路和新技术。

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明:在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40%的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90%的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大(>4cm)的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100m阻沙率可达45%;偏东风作用下,每100m阻沙率可达19%;而砾石直径较小(1cm)的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。

数值模拟气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响

本文应用流体计算软件FLUENT6.3,采用非结构化网格划分技术模拟了气流特征和砾石几何参数对床面空气动力学粗糙度的影响。结果表明:空气动力学粗糙度(z0)与风速(u)、摩阻速度(u*)之间存在定量关系:z0=a exp(bu/u*)。砾石高度对空气动力学粗糙度的影响显著优于砾石直径,空气动力学粗糙度随砾石密度的变化比较复杂,先增加后减小。FLUENT在模拟风洞砾石床面动力学过程中的成功应用,是我们在研究方法上的一次有益尝试。

砾石覆盖对边界层风速梯度的影响

通过莫高窟窟顶野外风洞实验对不同覆盖度砾石床面风速梯度的变化规律进行了研究。结果表明,床面砾石平均高度以下风速梯度随砾石覆盖度变化比较杂乱,而砾石平均高度以上风速梯度随覆盖度增加呈现出有规律的变化。从覆盖度5%到35%风速逐渐减小,40%～80%趋于稳定,35%最小。据此,大气边界层可明显分为两层,约以砾石平均高度为界,下层定义为粗糙亚层,上层定义为惯性亚层。粗糙亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化同样比较杂乱;惯性亚层风速梯度随砾石间距高度比D/H值的变化规律比较一致:风速在D/H值0.3～1.5段趋于稳定,2.0～4.0段风速逐渐增大,1.5处风速最小。另外,对砾石床面不同高度阻风效应的计算表明,砾石床面的阻风作用在砾石床面表面附近最强(0.75 H～1.1 H),粗糙亚层阻风作用随高度增大而增大,惯性亚层阻风作用随高度增大逐渐减小。该粒径砾石阻风效应最优间距高度比D/H值为1.5,最优间距为3cm,最优覆盖度为35%,为砾石防沙工程的铺设提供了一定的参考作用。