高含沙水流紊动能量转化与耗散规律

基于两相挟沙水流紊动能量平衡方程,推导得出了紊动能转化率kt,表达式以及泥沙悬浮效率系数es表达式。通过应用室内水槽平衡输沙试验实测数据,分析了紊动能转化率kt与有效雷诺数Rem之间关系,并探讨了紊动能转化率kt、泥沙悬浮效率系数es和泥沙悬浮功Es等表述能量的三大特征值随含沙浓度的变化规律,得出了在高含沙水流(Sv≥0.15)情况下kt、es和Es三者均随着含沙量的增加而呈现减小的变化规律,表明泥沙含量的增加不会给水流增加额外的能量负担,高含沙水流这种特有的紊动能量转化与耗散规律,为黄河具有“多来多排”的输沙特性找到一定的理论依据。

河流鱼类产卵场紊动能计算与分析

通过对鱼类产卵场地形分析,认为水流能量损失是鱼类产卵场形成的重要原因之一,这种能量损失主要是由于特殊河道地貌形成的水流紊动而产生的。在此基础上探索性地推导了考虑这种河道水流能量损失的明渠非恒定流方程。以中华鲟为例,对产卵场河段进行了三维水流数值模拟,计算了产卵河段紊动能的分布,探讨了中华鲟产卵行为与水流紊动之间的关系,结果表明产卵区因紊动产生的能量损失明显大于非产卵区。以期为保护中华鲟和其他鱼类产卵场水力学环境提供参考。

高含沙低佛氏数水跃跃后断面水流紊动能的实验研究

本文通过同一佛氏数不同含沙量和同一含沙量不同佛氏数条件下，对高含沙水跃水流跃后各断面沿程紊动能变化的实验研究，得出结论：①水跃水流含沙量增加，跃尾断面紊动能减小，跃后各断面紊动能沿程衰减速度减缓；②水跃跃前断面佛氏数增加，跃尾断面紊动能随之增大，但跃后各断面紊动能沿程衰减加快。

植被群落作用下河道水流紊动能分布

植被广泛存在于自然河道中,对河流水流特性产生一定影响。利用交错排列的竹签模拟非淹没的刚性植被群落,通过水槽试验,探讨了单个植被群落对水流紊动能分布的影响。结果表明:纵向、横向和垂向三个方向的紊动能分布受到植被群落不同程度的影响,尤其是纵向上紊动能分布在植被群落下游变化较大,呈现两个峰值;植被群落下游靠近植被群落处,横向上紊动能分布为水槽中心附近最大,向两侧逐渐减小,在水槽中心紊动能沿垂向均显著增加。

长直圆管冲击射流冲击区紊动能输运特性研究

为揭示冲击射流冲击区的紊动能输运特性,利用二维粒子图像测速技术研究了不同雷诺数下冲击区的紊动能平衡。紊动能输运方程的产生项、对流项、紊流扩散项和黏性扩散项由实测的速度场直接计算,并将压力扩散项和耗散项合并为一项作为紊动能输运方程的余项计算。研究得出:(1)对流过程引起的能量传递方向沿时均流场方向。自由射流剪切层内,紊流扩散过程引起的能量传递方向与时均流场方向斜交,黏性扩散过程引起的能量传递方向与时均流场方向垂直。(2)冲击区外层、中间层和内层的紊动能平衡差异很大。(3)冲击区内层紊动能产生项的负值由径向和周向雷诺应力做负功所致,所引起的紊动能损失由压力扩散项补偿。(4)冲击区内径向对流过程携走的能量由轴向对流过程补偿。(5)上述物理过程基本不受雷诺数影响,但各能量平衡项对紊动能的贡献强度受雷诺数影响显著。

不同淹没度下植被群尾部流速与紊动能纵向分布

水生植被群尾流受淹没度影响,与局部水流特性和营养物质的分布产生积极响应。借助圆形竹签进行交错排布,模拟不同淹没度下的刚性植被群,通过室内水槽实验,研究淹没度对植被群尾部水流纵向分布的作用机理。实验结果表明:淹没度较大时(植被群生长初期),植被群正后方水流变化平缓,流速与紊动能峰值均接近于上游平均值;不同淹没度下的植被群尾部受卡门涡流影响,均能产生含有两个峰值的紊动能,且分别对应流速极小值;淹没度较小时(植被群生长后期),尾部正后方紊动能变化幅度增大,卡门涡流影响作用逐步减小,不利于植被群的纵向扩展。

陡坡消能工下游水流紊动能的测定技术

对水流紊动能测定的Ｈａｒｔｕｎｇ方法进行了改进，以定尺寸变比重的人工试件代替传统的定比重变尺寸的天然试件（通常是石块），以适应试验中所遇到的水浅、流急试件尺寸过大的难题。这一测试技术为Ｈａｒｔｕｎｇ方法应用于水浅、流急的高佛氏数水流提供了新的途径。

簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。

非均匀散粒粗糙床面明渠紊流特性研究

为揭示非均匀散粒粗糙床面明渠紊流特性,采用d_1=1.0 cm、d_2=1.5 cm的正方体散粒制成粗糙床面开展PIV水槽明渠紊流试验,探讨了紊动强度、速度高阶矩、雷诺应力和紊动能的分布规律。结果表明:(1)粒间区中部,邻近剖面颗粒的绕流作用使紊动强度发生明显变化。(2)速度高阶矩纵向偏度系数S_(u')与垂向偏度系数S_(v')的分布特性揭示在近床处主要发生扫掠事件,而颗粒顶部以上区域喷射事件占主导。(3)平均雷诺应力R_(mean)在粒间区沿程先增大再减小,在颗粒区先减小后增大。(4)紊动能呈条带状分布,在河床底部和水面受到的抑制使得整体紊动能从床面开始增大,在颗粒顶部附近达到最大之后开始减小。

长江上游分汊河段不同深度水流的紊动特性研究

分汊河段水流的紊动特性对河床冲淤变化和鱼类生境有重要影响,而关于分汊河段水流紊动特性的水平分布的研究较少。为了厘清分汊河段水流的紊动特性,以长江上游部分河段为原型,开展概化模型试验,并对不同深度水流的3个方向(纵向、横向和垂向)的时均流速、紊动强度及紊动能的水平分布特征进行研究。结果表明:分汊水流在分流和汇流区域有低流速区,该区域的水流紊动较强。不同深度水流的紊动强弱与滩体水平剖面面积呈正相关关系,与河床的距离呈负相关关系;近底水流的强紊动区域较为分散;上层水流的强紊动区域较为集中。

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。

刚性淹没双层植被明渠水流紊流特性研究

采用标准k-ε紊流模型,结合雷诺平均Navier-Stokes方程,对刚性淹没双层植被明渠水流特性进行研究。计算所得的流速值与实测值吻合良好,表明计算方法可行。进而根据空间及时间的双平均理论,给出了双平均条件下的明渠流速、雷诺应力及紊动能分布,并对紊动能平衡方程中的各项进行了分析。结果可以看出,刚性双层淹没植被作用下,垂向流速分布曲线由3个拐点将其划分为4个区域;雷诺应力及紊动能分布在植被顶端明显增强,高植被顶端各项值均大于低植被顶端相应值;紊动能平衡方程中的紊动耗散项及压力耗散项在紊动能平衡方程中起着主导作用;植被顶端区域产生的涡,通过喷射和扫掠作用使其附近水体发生质量及动量交换。

生态浮床根系密度及过流流量对矩形明渠水力特性的影响

针对河道中生态浮床对水力特性的影响不明确、不利于河道行洪排涝等问题,研究了生态浮床对矩形明渠水力特性的影响。首先,基于ANSYS-fluent软件,利用多孔介质概化生态浮床,构建了含生态浮床的矩形明渠三维水动力数值模拟模型;然后,用水槽试验验证了该模型的可行性,在此基础上探索了生态浮床根系密度、过流流量对矩形明渠水流水动力特征及其变化规律的影响。结果表明,生态浮床段的流速在垂线上呈“S”型三区分布,且根系密度及过流流量的增大使流速的三区分布更显著;紊动能和雷诺应力与生态浮床根系密度和过流流量成正比,可见生态浮床根系密度和过流流量对明渠水力特性影响较大。

阶梯溢流坝面流场的紊流数值模拟

为了详尽地研究阶梯溢流坝面的紊流流场特性 ,采用雷诺应力模型对阶梯溢流坝面上的流场进行紊流数值模拟 ,得到了阶梯坝面水流的速度场、压力场、紊动能和紊动耗散率的分布规律 ,并与实测值进行比较 。

顺直微弯型分汊河道水流的紊动特性试验研究

对顺直微弯型分汊河道的水流紊动特性进行了试验研究,构建了分汊河道的物理模型试验系统,探究了在不同汊道宽度比和上游来流量条件下,水流在分汊河道沿程不同断面的紊动能分布特征.试验结果表明:在平面上,水流紊动最为剧烈的区域发生在支汊进口段凹岸的回流区与凸岸的高流速区之间的过渡地带,表、中、底3层的高紊动区的强度和范围以中层为最大,表层次之,底层最小;在横断面上,紊动强度在分汊前、中、后各有不同,支汊进口段断面的凹岸侧紊动强度最大,其高紊动区等值线由底至表呈现由凹岸倾向凸岸的规律,交汇断面对应岛屿尾尖的区域紊动也较为剧烈;上游来流增大明显增强断面紊动强度,但对紊动能等值线分布特征影响较小;不同支汊宽度比引起交汇断面高紊动能位置的变化,以及支汊进口断面紊动能的量值与位置也有所差异.

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。

明渠紊流脉动流速结构的PIV试验研究

明渠紊流的脉动流速结构对动量传递和能量耗散具有重要影响,基于光滑床面和加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了近壁区脉动流速的概率分布,分析了紊流事件概率的垂线分布特征,研究了雷诺应力和紊动能的象限分布及其与紊流事件概率的关系。结果表明:床面加糙会改变近壁脉动流速的概率分布和组织结构,加糙后纵向脉动流速概率分布变得尖陡且呈高狭峰,垂向脉动流速概率分布逐渐坦化并接近正态分布;光滑床面近壁区呈现清晰的高、低速条带结构,加糙后条带结构逐渐变得不规则甚至完全消失。床面加糙不会改变第2、4象限紊流事件的主导地位,但会改变其概率分布特征,加糙后第2象限紊流事件概率在全水深范围内总体增大,第4象限紊流事件概率仅在内区明显增大,床面加糙对第2象限紊流事件概率的影响范围大于第4象限,加糙后第2象限紊流事件的主导地位相对增强,第2、4象限紊流事件概率差异减小,紊流各向异性减弱。无论对于光滑床面还是加糙床面明渠紊流,第2、4象限的雷诺应力及紊动能总体大于第1、3象限,尤以第2象限最大,该象限紊动能可占总紊动能的39.3%;床面加糙后,第2、4象限的雷诺应力及紊动能绝对值均增大,雷诺应力在内区增幅尤为明显,紊动能在内、外区增幅较为接近;同时,第2、4象限的紊流事件概率、雷诺应力和紊动能变化具有较强的关联性。

波浪条件下刚性植被茎干紊流对沉积物再悬浮的促进作用

浅水湖泊沉积物再悬浮过程促进了沉积物内源性物质的释放,造成湖泊水体内源污染,加剧湖泊水质污染与生态恶化.开展刚性植被不同分布格局下的沉积物再悬浮水槽试验,能为浅水草型湖泊、滨海湿地等水环境治理与生态修复提供理论参考.本研究通过开展实验室波浪水槽试验,检验了3种直径12种密度的刚性模型植被对波浪扰动白洋淀沉积物再悬浮的影响,通过测定不同植被情景不同波浪条件下的瞬时速度和沉积物再悬浮浓度,详细阐述了植被产生的紊动能对沉积物再悬浮临界状态的影响,构建并验证了沉积物再悬浮植被紊流模型,预测了沉积物再悬浮的临界速度,为湿地生态恢复与保护提供参考.结果表明:1)植被的存在能有效增加近床面的紊动能;2)紊动能是控制沉积物再悬浮的关键性因素;3)沉积物再悬浮的临界波速与植被的固相体积分数相关.

四种紊流模型模拟弯道水流精度的对比分析

采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、可实现k-ε模型和Reynolds应力模型等4种经典的紊流模型,以连续弯道水流为对象进行数值模拟.根据水槽试验资料,从弯道水流纵比降、横比降及纵向流速分布等方面,对比分析了4种模型模拟结果的精度.认为Reynolds应力模型能更好地再现弯道中复杂的三维紊流特征,具有较高的精度,模拟结果优于标准k-ε模型、RNG k-ε模型和可实现k-ε模型.以单弯道水流为对象,从沿程水面线、纵向流速沿垂线分布、紊动能沿水深分布及环流强度分布特性等方面,检验了Reynolds应力模型的精度.发现在模拟岸边界变化引起的二次流现象时,Fluent软件中的Reynolds应力模型效果优于其他3种紊流模型.

海水泵站流道非对称引水流态特性数值模拟分析

为探讨海水泵站流道非对称引水流态特性,基于OpenFOAM建立了某液化天然气接收站海水泵站流道数值模型,在利用实测数据验证的基础上,模拟计算与分析了对称和非对称引水时,流道内流速与紊动动能分布特征。模拟结果表明:海水泵站非对称引水时,水流进入前池后流速较大,在低水位下水流无法充分扩散,在流道入口处形成偏流,行进至海水泵前断面水流分布已基本均匀;非对称引水时,海水泵所在进水池各断面均匀性指数平均值高于对称引水工况,且各海水泵进水池的紊动动能平均值也小于对称引水工况;从过水断面流速分布均匀性以及紊动量级来看,非对称引水对水泵运行更有利。