基于面积型Froude数的河型判数与黄河河道最大输沙流量及河槽宽深尺度

Froude数同水流强度和水流能量关系密切,水深型Froude数不适用于黄河沙质河段,面积型Froude数在判断复杂河流水流相对强度、河床冲淤与稳定程度等方面都有较大价值。本文以此为基础研究面积型Froude数在河型判别的应用,利用不同河型临界关系式,得到整治流量或整治河宽计算式,以及均衡条件下的河床形态公式。根据黄河模型小河造床过程,得到主槽最大输沙或相对稳定状态下,断面单位能量与河相系数关系方程,进一步研究了最大输沙流量对应的主河槽宽深尺度的计算。

受地求旋转作用的小Froude数过山气流

在小Ｆｒｏｕｄｅ数的过山气流中，常在迎风坡上出现流阻塞，北风坡之上出现波碎碎区。因此，即使上游Ｒｏｓｓｂｙ数很大，在这两个局地的滞流区域内Ｒｏｓｂｙ数仍很小，柯氏力作用很重要。本文分别就无地表摩擦和有地表摩擦两种他地求旋转对小Ｆｒｏｕｄｅ数过山气流的作用。结果表明：地球旋转作用使得过山气流周期振汇，有利于背风坡上强下坡风和波破碎现象的出现，抑制迎风坡上气流阻塞的发生。而且对于存在地表摩擦作用情形，

层结大气中Froude数对过山气流的影响

本文建立了一个层结大气中二维过山气流模式，对层结大气的Froude数对过山气流的影响进行了数值研究，通过地形上空流场、位温场以及平行于山脉的风场的分析。探讨了Froude数影响地形上空大气运动的一些规律。

基于改进Froude数的太子河流域河相形态分析

文章针对水深型Froude数计算局限,采用基于面积型Froude数对其进行改进,并以太子河为例,对典型断面河相形态进行分析。分析结果表明:相比于水深型Froude数,改进的Froude数更适合于河相形态的分析,太子河流域典型断面河相系数沿程递减趋势明显。河道主槽流量与河相系数呈现强相关性,流量越高其河相系数相对越大。文章研究成果为太子河流域河道形态演变分析提供参考和借鉴。

基于面积型Froude数的浑河流域河相系数计算及沿程关系探讨

针对水深型Froude数对于河相系数计算不适用的问题,采用面积型Froude数对浑河流域河相系数进行计算,定量分析其Froude数分布,并探讨不同河型下整治流量和对应宽度的范围。结果表明:面积型Froude数与水流强度及水能具有强相关性,与河相系数呈现反相关性,相关程度高于0.7。随着流量的增加,河相系数沿程递增,且随流量呈现指数变化。

复杂河流面积型Froude数新形式及其应用

通过回顾Froude数的提出与发展,探讨了其中流体特征长度的选取问题,认为水深型Froude数在复杂河流计算中具有局限性.鉴于断面几何形态直接影响水流特性,提出了面积型Froude数的形式,可用于流态判断,具有普遍适用性.分析表明,面积型Froude数可正确计算冲积河流复式断面中滩地、河槽及全断面水流相对强度大小.进一步通过实测资料比较及理论分析,阐述了面积型Froude数在判断复杂河流河床稳定性、划分河型、描述水力摩阻特性、完善河工变态模型相似理论等方面具有应用价值.

低傅氏数兴波数值预报的不稳定现象及其解决方案

本文针对船舶在低傅氏(Froude)数兴波数值预报中容易出现计算不稳定的普遍现象,从离散差分格式出发,对控制方程离散格式进行数值分析,推导出船舶CFD所特有的(带自由面)不稳定项形式,从理论上来解释这一现象。同时,根据所推导的数值耗散项的表达形式,提出了低Froude数计算稳定性的控制策略,主要为采用时间一阶隐式格式;减小时间步长;适当加密自由面附近的网格;综合应用前三种策略。

水库异重流的三维数值模拟及影响因素分析

不同水沙条件下异重流的潜入位置以及潜入后流速和含沙量的垂向分布规律是研究异重流运动规律的关键要素,对优化水库异重流的排沙调度、提高水库运用效益等至关重要。本文利用SCHISM三维水沙数学模型对水库异重流水槽试验进行了数值模拟,结果表明模型能够得到符合实际情况的垂线流速和含沙量分布,且异重流潜入后的平均厚度、平均流速和平均含沙量均与实测值吻合较好。对异重流模拟结果的分析发现,入口流量和含沙量的增加造成异重流运动速度越快,而入口含沙量的减小和流量的增加会造成异重流厚度增加。异重流垂向流速和含沙量的无量纲化分布受到入口水沙条件的影响,表现在其与断面Froude数的相关性,Froude数越大,则最大流速点与河床的距离越小,最大流速越大;含沙量致密层的厚度越小,对应的含沙量也越大。此外,潜入点位置也受入口水沙条件的影响,表现在潜入水深与入口水深之比随入口Froude数增加而增加的定量关系,由此可以利用入口水沙条件预报异重流潜入的位置。研究结果不仅验证了SCHISM模型用于模拟水库异重流运动的优势,而且丰富和完善了关于异重流潜入点位置及流速和含沙量垂向分布受入口水沙条件影响的变化规律。

不稳定分层大气边界层中沙尘暴的无黏模型研究

实验观测表明,沙尘暴发生之前的大气边界层常常是不稳定分层的。沙尘暴可被视为处于超高Reynolds数的颗粒两相湍流异重流。为了研究异重流坍塌阶段的主控机制,建立了一个无黏模型,发现在重流体或环境流体或两者均存在不稳定密度分层时,表征异重流头部速度的Froude数都会变小。对不同的开闸高度和不稳定分层情况的开闸式异重流进行了数值模拟。尽管在密度界面存在混合,但是模拟所得的头部速度与高度关系同无黏模型的预测相符。另外,野外观测到的沙尘暴头部速度增量同该模型的预测基本一致,显示在该类高Reynolds数湍流中无黏机制的贡献不容忽视。

水库浑水异重流潜入点判别条件

泥沙淤积是影响多沙河流水库寿命的一大难题,而异重流排沙是减少库区淤积的重要措施之一。异重流的潜入现象是异重流开始形成的直观标志,研究异重流潜入条件的判别方法有助于掌握异重流在库区内的演进规律。总结了水库异重流潜入条件的定性描述及定量计算方法,指出已有的潜入点判别公式的优缺点及适用范围,改进了描述异重流运动的动量方程,同时分析了异重流流速与含沙量沿垂线不均匀分布对动量传递的影响;在此基础上提出新的异重流潜入条件判别式,并用多组室内及野外实测资料对该判别条件进行率定与验证。分析结果表明,新的计算公式可用于判别小浪底库区异重流的潜入条件。

山谷城市大气边界层结构及输送能力

利用甘肃省-中国科学院科技合作项目"兰州市大气污染及对策研究"于2000年12月10～17日在兰州市城区用系留气球观测的大气边界层风速、风向、温度、湿度资料以及同期自动气象站观测资料和常规气象站辐射观测资料等,分析了山谷城市边界层大气的风速、温度、湿度结构特征,揭示了兰州市上空日夜维持的大气逆温的结构特征及其强度和分布特征的动态规律。提出了形成兰州山谷这种特殊大气逆温层的各种客观环境因素。最后还给出了在兰州市目前的小气候和地理环境条件下边界层大气的总体稳定度和Froude数的特征,由此初步定性讨论了兰州市大气边界层湍流运动和水平平流运动这两种主要输送形式的输送能力。

1000kV苏通大跨越输电塔线体系气弹模型的风洞试验研究

拟建的苏通大跨越输电线路是目前为止塔身最高、跨度最长的塔线体系,主要受风荷载控制。气弹模型的风洞试验是深入研究各种风致耦合振动现象的有效手段。由于风洞条件和模型材料的限制,模型设计需要放松输电塔的Froude数相似准则,采用Davenport提出的线模型等效设计方法。但这会引起塔线体系响应不匹配以及气动阻尼和质量不符合相似比等问题。通过增大输电线模型的刚度矩阵,不改变输电线模型垂度,推导输电线模型的精确气动力相似比等手段设计塔线体系气弹模型。将其放置于标定好的风场中,通过有限元分析梯度风对其的影响,测试单塔和塔线体系的风致响应,揭示位移、频率以及阻尼等塔线耦合的机理。试验结果表明：30o风向角时输电塔的位移响应最大;塔线耦合改变了输电塔的动力特性和风致响应分量;试验风速下的输电塔和导线均没有动力失稳。

纵向风对通道火灾烟气竖向分层特性的影响

研究了纵向风对通道火灾热分层和烟颗粒分层特性的影响.纵向风可能使通道内的分层流出现Kelvin-Helmholtz流动不稳定性,并导致烟颗粒向下部空间扩散;当纵向风较大时,烟气层的热分层稳定性被破坏,导致烟颗粒与冷空气出现强烈掺混,烟颗粒层显著变厚.通道火灾的热分层和烟颗粒分层特性与Froude数或Richardson数关联紧密.实验初步得到了出现Kelvin-Helmholtz流动不稳定和热分层不稳定的临界条件.

2010年秋季一次海南东海岸特大暴雨的中尺度分析

综合利用NCEP再分析资料、地面加密观测、多普勒雷达观测和卫星观测等常规和非常规资料,对2010年10月5日海南琼海特大暴雨过程的天气背景、环境场特征以及中尺度云团的活动特征进行分析。这次过程发生时热带辐合带(ITCZ)异常活跃,热带低压在海南岛附近活动,为此次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景,偏东气流在海南岛的东岸特殊地形的影响下形成中尺度切变线。切变线上有中尺度对流系统自南向北移近琼海,并发展加强。采用WRF模式的精细模拟结果,进一步研究了造成琼海特大暴雨的中尺度对流系统形成和维持的主要原因。结果表明,在海南岛东岸稳定维持的β中尺度对流带及其上活跃的对流系统是造成特大暴雨的直接影响系统。新的对流系统不断地沿对流带尾部生成,并沿对流带自南向北移动发展可能是造成琼海地区强降水持续的直接原因。该模拟阶段雨强的发展加强,伴随着偏东风急流的发展和北抬。急流的扰动不仅增强垂直风切变,还通过倾斜项的作用将水平涡度转化为垂直涡度,同时,在海南岛中尺度地形的抬升和阻滞下,并有水平平流及热力条件的配合,使对流在迎风坡的上游发展加强,造成此次特大暴雨。

氢气泄漏过程的理论模型计算及CFD模拟

采用Fluent数值模型虽然可以较为准确地预测氢气泄漏后的扩散和运动规律,但是建模及计算时间较长。提出一种新型理论模型,可以在很短时间内预测氢气泄漏的扩散和运动规律,适用于应急处理。为了探究理论模型的准确性,还建立了二维和三维的CFD模型进行计算。对不同尺寸泄漏口的水平和竖直方向的两种射流进行了研究,计算了氢气泄漏时射流轮廓及摩尔分数分布,预测了基于可燃极限计算的储罐周围的安全区域。比较了氢气射流的理论模型和CFD模型计算结果,并且与前人的实验结果做了比较,吻合度很好。研究还发现Froude数较高的射流是动量控制的射流;而较低情况下有射流很强的浮升力效应,氢气的摩尔分数下降速率加快。

隧道间联络通道临界风速模型

从临界Froude数理论出发建立了计算联络通道临界风速的模型。由于尚无联络通道临界风速的试验数据可以参考,通过FDS数值模拟结果来计算隧道间联络通道临界Froude数。首先使用不同网格尺寸对不同火源热释放率工况进行了模拟,结果表明网格尺寸为0.075D*是比较合理的。通过模拟文献[10]、[11]中的2种火灾工况,说明采用FDS可以很好地模拟隧道临界风速问题;模拟分析了隧道间联络通道9种火灾工况下的临界风速结果,并将隧道间联络通道临界Froude数确定为2.46。同时讨论了影响隧道间联络通道临界风速的主要因素。

水平与微倾斜管内间歇流中长气泡的形态特征

利用双平行探针技术和摄像方法对水平和近水平微倾斜管内长气泡的形态特征进行了实验研究.实验结果表明气泡头部以及气泡体的形态特征取决于气液混合Froude数和管道倾角,而尾部特征还与气泡长度有关;小气泡通过单纯水跃面的长气泡尾部向液塞区弥散,而具有阶梯状尾部结构的长气泡并不向液塞区弥散小气泡,所以气泡尾部结构特征的变化决定了弹状流向段塞流的转变;管道倾角对长气泡形态特征有显著的影响,下倾管内的长气泡在低Froude数时出现头尾倒置现象,同时下倾管内的长气泡比上倾管更易保持阶梯状的尾部结构,所以下倾管的弹状流区比上倾管宽.

涌潮潮头掺气的模型试验研究

强烈掺气的涌潮潮头在向河口上游推进的过程中对整个水域的环流结构、泥沙的输移、污染物的扩散乃至整个河口区域的生态平衡等都将产生巨大的影响,因此针对涌潮潮头掺气特征的研究就显得尤为重要。作者在玻璃水槽中模拟了涌潮潮头,运用高速摄像记录系统拍摄涌潮潮头掺气的状态,并对其破碎状态进行观测、统计和分析。通过试验中涌潮潮头形态与涌潮Froude数之间的响应关系与现实中二者之间的响应关系的一致性,检验了试验中所模拟的涌潮潮头形态的合理性。涌潮潮头破碎掺气要历经4个阶段且不断重复,最终在潮头形成一系列的气泡云;通过对比不同工况下涌潮潮头掺气的形态,提出潮头形态的变化主要与落潮流速和涌潮潮头高度相关。为深入定量地研究涌潮潮头的掺气特性,定义涌潮潮头的掺气长度,其与潮前水深及其流速、涌潮潮头的高度及其传播速度等因素密切相关;利用量纲分析确定涌潮潮头的相对掺气长度与涌潮强度和涌潮Froude数之间的函数关系后,运用非线性回归分析试验数据得到计算涌潮潮头掺气长度的经验公式;最后通过对钱塘江盐官段涌潮潮头掺气长度的几组观测值与经验公式计算值的对比与误差分析,验证了经验公式的实用性,为更好地预测涌潮潮头掺气的特征提供了量化的基础。

纵向通风对隧道火灾特性及竖井自然排烟效果的影响

采用1∶10小尺寸隧道模型,研究了采用竖井自然排烟的隧道内,纵向通风对隧道内火焰形态、质量损失速率及竖井内温度分布和排烟速度的影响。结果表明:随着竖井高度和纵向风速的改变,在纵向通风和烟囱效应诱发气流的耦合作用下,隧道内火焰向下游倾斜,造成燃料质量损失速率发生变化,进而影响隧道内的烟气输运规律,并最终影响竖井排烟的温度分布和排烟速度。当排烟口下方的烟气层发生吸穿时,竖井内部出现低温区,此时隧道下部的冷空气直接通过竖井排出,大大减弱了竖井的排烟效果,在对烟气层吸穿现象进行分析的基础上,对Hinckley提出的临界吸穿Froude数进行了修正,得到了用于判断纵向通风条件下竖井自然排烟吸穿的临界Froude数为3.2,当Froude数介于3.2~5.1时,竖井排烟处于吸穿区,Froude数介于0.6~3.2时,处于未吸穿区,且Froude数随着竖井的升高而逐渐增大。

地形和逆温层对兰州市污染物输送的影响

结合兰州市地理和气候环境,给出了兰州山谷Froude数的范围.并根据气流到达山体时 爬升或侧绕的临界Froude数大约为1的基本认识,揭示了山体高度、逆温层强度和地面水平风 速对Froude数和水平输送的影响以及在几个假定的山体高度下Froude数随逆温强度和地面水 平风速的动态分布特征.同时,说明了污染物临界高度和烟囱临界高度对山体高度、逆温层强 度和地面水平风速的依赖关系.通过敏感性试验,发现了对气流输送有重要影响的逆温强度和 山体高度及水平风速的关键值.