粗糙床面坡面流流场及紊动特性试验研究

应用粒子图像测速技术对水深为5~8 mm的粗糙床面坡面流流场进行了详细观测,对试验资料进行了时间-空间双平均处理,结果表明:在低淹没度的床面糙率影响下,坡面流流速分布基本符合对数-尾流规律,其中卡门常数与普通明渠流一致,但尾流函数常数明显偏小;相较于光滑床面,粗糙元增强了水流流向的紊动强度,同时致使紊动强度在水深范围内的分布更趋均匀;水流切应力分布以雷诺切应力为主导,粗糙元引起的形状切应力可以忽略不计;水流的空间波动主要存在于床面附近,但流速的空间波动强度与紊动强度相比普遍偏小。

粗糙床面明渠水流数值模拟及水力特性分析

天然河道和人工河道一般为粗糙床面,由于大尺度粗糙床面对水流的阻挡作用,使得水流区与粗糙区的流场特性不相同。为了探究粗糙床面对水流结构的影响,开展了4种工况下,不同粗糙高度的水槽模型流场试验和对应的数值模拟分析计算,获得了丰富的水力特性空间数据。研究结果表明,采用RNGk-ε模型和流体体积模型(VOF)能够准确模拟计算具有粗糙床面的水流。受粗糙床面阻水作用的影响,在粗糙床面上游,水位有一定程度的壅高,当水流过粗糙床面后,水位有一定程度的跌落。水流过粗糙床面以后,水面逐渐趋于一致。在粗糙段,水流结构基本相似。在粗糙影响段,相对粗糙度为0.2,水流的紊动强度和紊动动能达到最大值。随着相对水深的增大,紊动强度和紊动动能均呈现出“先增大后减小”的变化趋势,在水面附近趋于一致。

密排粗糙床面明渠水流的紊动特性

为揭示密排粗糙床面对明渠水流紊动参数的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了加糙后紊动强度、雷诺应力和紊动能等参数的变化特征。结果表明:床面粗糙对紊动参数的影响主要体现在内区,而外区紊动参数的变化相对较小。加糙后纵向和垂向紊动强度相对值u’^+、v’^+在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re_*越大,v’^+越大,而u’^+越小;床面粗糙对内区水流有抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用;床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向。加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。不同工况紊动能相对值E^+在内区差异明显,随着相对水深η的增大,E^+差异逐渐减小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大,内、外区紊动能变化与床面粗糙抑制水流纵向紊动强度和加强质点垂向混掺作用等因素有关。

非均匀卵砾石粗糙床面的分形特征

针对传统方法刻画粗糙床面总体特征存在缺陷的问题,将分形几何理论引入非均匀卵砾石粗糙床面特征研究,以卵砾石床面激光扫描试验资料为基础,探讨了分形尺度区宽度与中值粒径d50的关系,分析了覆盖基准面对分形维数的影响,研究了床面整体与局部分形维数的特征与联系,获得了分形维数随床面颗粒组成及高程统计参数的变化规律。结果表明:分形尺度区宽度与床面颗粒中值粒径d50有关,上临界尺度可取为1.5d50;分形维数与覆盖基准面位置有关,覆盖基准面距平均床面的距离越大,分形维数越大且逐渐失真,为有效量化和区分床面粗糙特征,覆盖基准面宜取平均床面;粗糙床面分形维数具有良好的稳定性,局部分形维数变异性很小,并与整体分形维数接近;粗糙床面的分形维数与颗粒大小、级配组成及床面高程统计参数有关,中值粒径越大,颗粒组成越均匀,床面高程极差、标准差、偏度(绝对值)和峰度越大,分形维数越小。

密排粗糙床面明渠水流的流速结构

密排粗糙床面在江河治理工程措施中应用广泛,采用不同直径d的圆形玻璃珠制作了3种密排加糙床面,基于光滑床面和密排加糙床面的8组PIV水槽明渠均匀紊流试验资料,研究床面粗糙对明渠水流流速结构的影响规律。结果表明,密排加糙床面明渠紊流的理论床面位置约在颗粒顶部以下0.15d处;粘性底层以外区域的纵向时均流速垂线分布满足对数公式,卡门常数κ=0.4,积分常数A=9.6~11.8,且A随粗糙雷诺数Re_*呈幂函数递增变化;床面加糙对内区流速的影响大于外区。脉动流速u、v的空间自相关系数C_(uu)、C_(vv)为正值,空间互相关系数C_(uv)、C_(vu)为负值,C_(uu)云图分布大体呈水平略向上倾斜的椭圆形,C_(vv)云图分布大致呈圆形,C_(uv)、C_(vu)的云图分布总体均呈第2、4象限倾斜的椭圆。流量Q增大后,C_(uu)分布椭圆形状变得细长,C_(vv)分布与圆形更为接近,C_(uv)、C_(vu)分布椭圆长轴与水平轴的倾角均减小;床面加糙对C_(uu)影响较小,而对C_(vv)、C_(uv)、C_(vu)的影响较大,加糙后C_(vv)、C_(uv)、C_(vu)绝对值总体减小,空间相关性减弱。

散粒粗糙床面的当量糙率尺度特征

为揭示散粒粗糙床面的当量糙率尺度特征,采用4种散粒粗糙床面开展了8组粒子图像测速法(PIV)水槽明渠紊流试验,探讨了理论床面位置、当量糙率尺度和阻力系数的沿程分布规律,分析了当量糙率尺度与阻力系数的内在关系。结果表明:(1)散粒粗糙床面明渠水流特性沿程可分为颗粒区和粒间区,各区的理论床面位置参数ξ、相对当量糙率尺度k_(s0)和阻力系数f具有显著差异,颗粒区0. 65≤ξ≤0. 85,k_(s0)波动明显,f较大;粒间区ξ=1,k_(s0)变化相对平缓,f较小。(2) k_(s0)沿程平均值与颗粒直径d成正比,与排列间距Lx及水流雷诺数Re成反比,在d、Lx及Re相同时,梅花形排列的k_(s0)大于矩形排列。(3) f随k_(s0)呈递增变化,变化特性与相对光滑度h/d密切相关。研究成果可为散粒粗糙床面沿程阻力系数确定提供科学参考。

粗糙床面的阻力特性

本文研究了粗糙床面明槽紊流阻力特性,得到了流动二维性的判别标准,并对粗糙对满宁系数n及谢才系数C的影响进行了讨论,结果表明在小尺度粗糙情况下,C、n值可视为常数。

粗糙床面明槽水流能谱特性

对粗糙床面明槽水流能谱特性进行了研究,结果表明功率谱曲线、最大功率谱及相应的频率沿垂线的分布与相对光滑度大小紧密相关,据此得到了流动二维性及小尺度粗糙的判据;此外,在本实验条件下,能量主要集中在频率小于2Hz的涡体内。

粗糙床面紊动产生机理初探

在分析已有近壁区光滑床面定性观察和定量测量结果的基础上,对完全粗糙床面明槽湍流偏斜系数S沿垂线的分布进行了讨论。结果表明:对于完全粗糙床面,当H/k>1.0时,在y/H<0.2的范围内有S>0,这意味着可能也存在低速条带,即流体紊动亦是由猝发所致;而对于H/k<1.0,即对于大尺度粗糙,紊动产生的途径有待进一步研究。

基于DANS方程的粗糙床面明渠水力特性研究

基于双向平均NS方程(DANS方程)建立粗糙床面明渠水流数学模型,应用修正的S-A湍流模型对其紊流过程进行模拟,采用涡黏系数法计算明渠湍流在粗糙床面上存在障碍物时的形状应力,结果表明:形状应力在障碍物层以内不可忽略,而在障碍物上部,会迅速减小直至可忽略不计;速度值会随形状应力的增大而减小;障碍物顶部附近的雷诺应力也会因为形状应力的存在而有明显的减小。此外,针对障碍物孔隙率的研究表明:障碍物孔隙率的分布对速度、雷诺应力及形状应力等存在一定的影响,并且当孔隙率的分布越光滑时,其影响越小。

大尺度粗糙床面水流特性模型试验与数值仿真分析

针对山区常见的大尺度粗糙床面河流中的水流运动特性问题,采用模型试验、数值计算和统计分析相结合的方法,研究了特定边长混凝土方块在不同布置密度下,对浅水流动的自由表面形态、流速分布以及沿程阻力系数的影响。在此基础上,进一步提出了修正后的粗糙床面的沿程阻力计算公式,并采用非线性多元回归法基于试验与计算数据对公式系数进行回归。修正的公式具更广的适用性,且计算分析结果与模型试验结果较为吻合,对于航道整治与船舶航行具有较强的工程参考意义。

粗糙床面水流运动特性试验与建模研究

山区河流的大尺度粗糙床面对水流运动特性的影响是航道整治工程中的重要问题。文章基于模型试验研究,并结合CFD计算分析的方法,研究了不同摆放密度的混凝土立方块体对有限水深流动的自由液面波动、纵向流速分布以及纵向水头损失的影响。在此基础上,文章根据水流阻力的影响因素,对传统经验公式开展了相关修正,并采用非线性多元回归法对经验修正系数进行了回归分析。研究结论表明:文章所提出的经验公式具有更加普遍的适用性,且经验公式的预测结果与试验和CFD计算结果相一致,对于航道整治工程具有重要参考价值。

河流床面粗糙程度的度量方法研究

【目的】河流床面的粗糙程度是河流动力学中重要的研究内容。【方法】用统计分析法来量化河流床面的粗糙程度,在不考虑河床宏观起伏的前提下,用非均匀天然沙人工铺制初始粗糙床面,并逐渐增大流量使床面粗化,粗化完成后依托激光扫描技术获得试验床面的精确数字高程。基于统计理论探究在不同来水条件下,粗化后河流床面表层的结构特性并利用床面高程统计参数及变异函数满足的理论模型建立新的床面粗糙程度度量方法。【结果】结果显示:曼宁糙率n与中值粒径的拟合关系一般,相关系数为0.649。n与标准差、众数及偏度拟合关系良好,与峰度拟合关系相对较差。n与三种变异函数球状模型典型参数都呈现出较好的相关性,剖面平均变异函数块金值与基台值和n的拟合关系优秀,相关系数均在0.89以上。【结论】结果表明:代表粒径法在某些时刻是可以用于表述床面粗糙特性的,高程数据的标准差随水流强度的增加而严格增大的特性和其众数随水流结构的增大而严格减小的特性使它们成为量化床面粗糙程度的优良指标。偏度和峰度的单调趋势使其作为床面粗糙程度的衡量指标也成为可能。块金值与基台值可以作为床面粗糙程度的表征指标。此次研究用统计法探讨了度量河流床面粗糙程度的方法,对粗糙程度的度量有一定启示。

床面统计粗糙特性研究

床面粗糙特性是河流动力学中的重要研究内容,其量化方法一直是研究的难点。在顺直水槽中采用非均匀天然沙铺制初始床面,并逐渐增大流量粗化床面,基于激光扫描获得的床面数字高程资料,应用统计理论以及变异函数模型探讨不同粗化程度的床面表层粗糙特性。结果表明:采用非均匀沙人工铺制的床面高程频率分布呈现出近似正态分布,经历过不同水流强度依次累积冲刷后形成的稳定粗化床面高程频率分布都出现了轻微正偏态的趋势;高程标准差随水流强度增加严格增大的特点让它可以成为量化床面粗糙特性的可靠指标;水流塑造试验床面是各向异性的,随着流量的增大,床面粗化层破坏再粗化,床面高程二维变异函数的基台值越大;由于水流的作用,横向剖面平均变异函数的基台值与块金值略大于纵向剖面高程平均变异函数,径向剖面的基台值与块金值远小于横向与纵向剖面。研究加深了对床面粗糙特性的统计规律的探索,对于建立基于统计学的粗糙度定量表达方式具有一定的启示。

粗糙床面明渠均匀紊流水力特性

本文通过改变明渠床面的相对光滑度H/k_s,探讨了粗糙尺度对流动的影响,提出粗糙床面可划分为大尺度、中间尺度及小尺度粗糙.在工程中,小尺度粗糙具有更普遍的意义,因而对小尺度粗糙床面的流动特性进行了更为全面的研讨.

粗糙床面明流进口段边界层的发展过程

众所周知,水流进入明槽以后,开始形成边界层,逐渐发展,最后形成明槽均匀紊流,至此,流动要素不再沿程发展变化。以形成边界层的起点到明槽紊流为止,可称为进口段。明槽紊流的测验断面都需要在进口段以后,所以确定进口段长度对明槽施测断面的确定至关重要。在实际工程中,明槽水流所流经的固体边壁大都是粗糙的。因此,研究边界层的发展过程对揭示粗糙床面在流动调整过程中的作用是很必要的。

粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟

该文采用格子玻尔兹曼(LB)方法建立了紧密排列颗粒粗糙床面振荡紊流边界层模拟的三维数学模型。收集粗糙床面波浪水槽实验结果,对水槽实验条件下的振荡流边界层进行模拟,模拟得到的平均流速、紊动特性、等效粗糙高度、摩阻系数和边界层厚度等与实验结果进行了全面对比,并对三维涡旋结构进行了分析。结果表明,所建立的LB数学模型可以合理模拟粗糙床面振荡流边界层流动,能够反映三维涡旋特性,可进一步应用于粗糙床面振荡流紊动特性以及床面粗糙参数的研究。

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线、紊动强度、雷诺应力和壁面切应力的变化规律。结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A成反比,与积分系数B成正比。(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似。流向紊动强度随相对水深的增大而减小。随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异。渐变粗糙床面下流向紊动强度符合Nezu经验公式,流量与经验系数成正比。(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似。在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y/H=0.2~0.4处。随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大。综合表明,增加PIV分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究。探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路。

床面粗糙形态的二元分形插值模拟

针对床面粗糙形态具有自相似性的特点,应用二元分形插值迭代函数系统,对床面粗糙形态进行了分形插值模拟,模拟中分形插值邻域Ak根据Kriging空间插值方法的变异函数球状模型确定,垂直比例因子sm,n通过基于插值点数据的多元统计分析确定。结果表明:分形插值重构的床面粗糙形态与原床面形态的相似程度将随着插值点信息量ic的增加而提高,且ic仅需达到某一较小值(如ic≥0.0625),得到的床面粗糙形态即可具有较高的逼真度,其分维数也与理论值接近。因此,在测量数据不足的情况下,采用二元分形插值模拟方法可获得逼真度较高的精细床面粗糙形态。

冲积床面上明渠水流湍流特性及其与底层泥沙起动关系的试验研究

利用声学Doppler测速仪测量了明渠水流在不同水深、流速、泥沙粒径情况下的瞬时流 速分布和泥沙起动流速,研究了可动粗糙床面明渠水流的湍流特性.利用实测断面流速分布,采 用非线性回归拟合出对数律流速分布的各参数,进而参照 的实验曲线研究了冲积床面上明 渠的阻力分布规律,计算出各断面的相对脉动强度、Reynolds应力、湍流动能,并对各种不同情 况下的明渠湍流分布规律进行了比较,描述了各粒径泥沙在不同水深情况下的起动流速以及泥沙 起动时明渠底层各湍流特征的变化情况,研究探讨了冲积床面上明渠湍流各特征量的变化分布规 律以及泥沙起动与水流湍流特性的内在关系.