生态水力学原理在城市河流保护及修复中的应用

本文根据城市河流的特点,简述了生态水力学的基本原理及其在当今城市河流保护及修复中的应用,详细介绍了公园式生态池塘的构想,提出了通过改变河流的水力特性、调整品种结构和修建公园式生态池塘3种途径改善城市河流现状的对策。

水力学及河流动力学基本问题研究的现状与任务

在简要回顾水力学及河流动力学发展历程的基础上 ,概括了本学科当前共同关心的学科交叉、比尺效应、数模鉴定和可持续开发等基本问题。介绍了传统的和新近发展的十个主要研究方向 ,包括水工水力学、河流水力学、环境水力学、电站水力学、生态水力学、海洋水力学、地下水力学、冰水力学、水力学模拟和工业水力学。对基础理论及研究方法、应用水力学和地球物理水力学等领域的若干基本问题的现状与任务进行了探讨。

旋流竖井泄洪洞水力学特性及泥沙输移特性研究

基于RNGκ-ε双方程紊流模型并结合VOF两相流模型,通过模型试验和数值模拟分析了双涡室旋流竖井流态、流速、压力、消能、空化和泥沙输移特性。结果表明,模拟结果与试验值吻合程度较好,涡室段通过掺气坎补气,掺气更加充分,降低了发生空蚀破坏可能性;实测消能率达到75%以上,消能效果较好;不同粒径泥沙在不同流量下在竖井底部存在泥沙淤积,使得消力井深度减小,小流量运行时淤沙最高可达到消力井深度的72%,但经过一次大洪水后泥沙被清空,淤沙高度降低为井深的1.6%,使旋流竖井保持有足够的消能水垫,不会影响其正常运行。在实际工程中,控制拦污栅大小,避免大颗粒泥沙进入泄洪洞导致拥堵,实践中可通过改变运行方式来控制消力井淤沙高度,使其有足够富裕的水垫深度来满足旋流竖井设计和正常运行要求。

国家重点实验室管理信息系统的架构设计

国家重点实验室的信息管理系统由于其人员组成和管理方式而具有其特殊性。本文介绍高速水力学国家重点实验室的信息管理系统的构建方案。该方案具有信息随处可得 ;分布式维护管理 ;与国家实验室管理方式接轨 ;

阶梯作用下土质边坡坡面流的水力学特性试验研究

为了探究阶梯布置下土质边坡的阻力规律及产沙特性,揭示阶梯布置下土壤侵蚀水力学机理,将阶梯消能工运用到坡面流中,通过室内放水冲刷试验,研究土质边坡在西南地区常见坡度(10°)、4个放水流量(2、4、8、16 L/min)、4个阶梯级数(裸坡、一级、二级、三级)和2个阶梯高度(1、2 cm)条件下的水力学特性。结果表明:裸坡条件下平均流速与流量成线性关系,布置阶梯后转为幂函数关系;流程一定时,阶梯级数越多阶梯消能效果越好;二级和三级阶梯,阶梯高度2 cm的平均产沙量小于1 cm,一级则相反。通过阻力分析得出,阶梯可以增加坡面阻力,降低坡面径流平均流速、壅高坡面平均水深,使得径流对坡面土颗粒的侵蚀作用减弱,从而减少输沙量。

结构变化对鱼道水力学特性的影响

除了鱼池长宽比、隔板墩头和隔板结构的改变会对鱼道的流速、流态等水力学特性指标产生影响之外,底孔和坡度等对流速和流态的影响也不能忽视。为了研究底孔和坡度对鱼道的流速、流态等水力学特性指标产生的影响,采用标准k-ε湍流模型对不同工况的鱼道进行了数值模拟计算。研究表明:竖缝式鱼道的最大流速一般出现在竖缝附近,并且对于竖缝处的测点,一般是底层流速更大;增加底孔会降低竖缝处的流速,但底孔处流速偏大;放缓坡度一半时,竖缝处平均流速会降低约20%以上,因此就流速而言,放缓坡度会降低鱼道中的流速,从而对鱼类洄游有利。本实验不仅验证了此次数值模拟计算结果的可靠性,也直观地将鱼道流态清晰展示出来。

计算河段最小生态需水的生态水力学法

水文学法与水力学法对河道生态需水量采用的方法都比较宏观,没有仔细考虑水生生物水力生境需求。本文提出了计算河道最小生态基流量的生态水力学法,该法是通过目标水生生物适宜的水力生境确定河段最小生态需水量,文章对河道水力模拟,水生物生境描述等理论进行了研究,同时结合目标水生生物对水力生境的需求,重点研究水深、流速、湿周、水面宽、过水断面的面积、水面面积、水温等水力生境参数;急流、缓流、浅滩及深潭等水力形态的指标表现形式。本文提出的生态水力学法具有直观、定量的特点,为河道确定生态基流量提供了一套较具体、可行的方法。

弯道水力学研究现状与进展

研究弯道水流的水力特性对充分利用其特点来为工程服务,确定枢纽的闸顶高程、取水口的位置和工程的防冲具有重要意义.由于弯道水流流态十分复杂,目前弯道结构特征对水流特性的影响机理尚有待深入研究,本文对弯道水流的研究现状和进展进行了全面述评.

泄滩滑坡碎块石土饱和与非饱和水力学参数的现场试验研究

碎块石土由于块石含量较高,块石粒径较大,其水力学参数的确定具有一定困难。首先,采用双套环法对三峡库区泄滩滑坡的滑体碎块石土饱和渗透系数进行了原位试验,并根据土层孔隙率、颗粒级配等因素采用相关经验公式对试验结果进行了分析。其次,结合使用张力计和体积含水率仪对其土水特征曲线进行了现场模拟试验,并采用Fredlund模型对试验结果进行了拟合分析。最后,根据土水特征曲线和饱和渗透系数,采用经验公式估算了其非饱和渗透系数。试验及分析表明,该滑坡的碎块石土层的饱和渗透系数为(1.78～3.2)×10-2 cm/s,为强渗透性;材料的细颗粒含量越少,有效粒径及控制粒径越大,不均匀系数越小,相应的渗透系数越大。相关研究成果可以为泄滩滑坡非饱和非稳定渗透计算提供参数依据,并对同类型土体非饱和水力学参数的确定具有一定的借鉴意义。

生态水力学法在河段最小生态需水量计算中的应用

以雅砻江锦屏二级水电站建成后造成坝后119 km的减水河段为例,用生态水力学法计算了减水河道最小生态流量,得出为满足减水河段鱼类的生存及繁衍,枯水季节猫猫滩闸址处必须保证下泄45 m3/s流量,在该流量下,锦屏二级水电站减水河段中95%左右河段水深、流速、水面宽、湿周率、过水断面面积、水面面积等水力因子可满足河道内鱼类的生存繁衍;水温的变化不会影响河道内鱼类的产卵;鱼类适应的缓流、急流、浅滩、深潭等水力形态的位置发生变化,数量保持不变。总的来说,水生生物的生物量将随着河道流量的减小而减少,但种群数量将保持不变。该实例为生态水力学法计算河道最小生态需水量做了一些探索性的研究工作。

鱼道进口布置方式对集诱鱼水流水力学特性的影响研究

鱼道进口的布置方式直接影响着集诱鱼水流的水力学特性,集诱鱼水流能否被鱼类识别和适宜鱼类洄游,决定着诱鱼效果,是整个鱼道工程成败的关键。本文提出两种鱼道进口布置方式,分别布置于闸墩旁和集诱鱼通道旁。为说明不同的鱼道进口布置方式对集诱鱼水流水力学特性的影响,采用标准k-ε3维紊流模型和VOF模型,对两种布置方式进行了3维数值模拟,并通过物理模型试验结果验证数值模拟的合理性。通过对比分析两种布置方式集诱鱼水流的流态、流速、流速适宜区宽度和紊动能表明:在集诱鱼通道布置方式下,集诱鱼水流流速更小,下游靠边最大流速减小1.0 m/s;流速适宜区(0.70~1.41 m/s)横向宽度更大,最大横向宽度增大3.0 m;水流紊动能更小,鱼道进口处最大紊动能减小0.60 m^2/s^2。集诱鱼通道布置方式下的水流具有更适宜鱼类洄游的水力学特性,能更有效地吸引并引导鱼类洄游上溯,找到鱼道进口,可为鱼道进口布置设计和研究提供参考。

V形阶梯溢洪道水力学特性试验研究

针对V形阶梯溢洪道在大单宽流量下运行存在的问题,研究了坡比为1∶2的V形阶梯溢洪道在不同单宽流量时的流态、时均压强、消能率等水力学特性。试验结果表明,同一阶梯的不同位置,漩涡的强度不同,越靠近中轴线漩涡强度越小;阶梯水平面上的负压区集中于靠近边墙的凹角处,中轴线附近无负压;阶梯竖直面上,凹角处时均压强最大;消能率较高,且适应范围更大。

深层隧道排水系统中井隧水力学特性研究

深层隧道排水系统(深隧)是布置于深层地下的大型排水工程,一般由调蓄隧道、入流竖井、通风设施(排气井)及排水泵站组成,具有调蓄雨洪及控制溢流污染的作用。其中调蓄隧道为避开地铁等城市地下工程往往布置于距离地面30~60 m深处,入流竖井连接地表浅层管网和深层隧道。深隧系统竖井内部的水力学特性复杂,具有单宽流量大、落差高及大量掺气等特点,处理不当将造成较大的破坏。而极端降雨期间,由于未能充分排气而产生的间歇喷涌,也会对设施造成损害。本研究采用物理模型试验和水-气两相流数学模型CLSVOF(Coupling Level Set and Volume Of Fluid),研究了不同结构竖井(旋流式竖井和螺旋阶梯式竖井)水力学特性和调蓄隧道中的间歇喷涌问题。根据施工条件设计的两种竖井方案的消能率接近,旋流竖井存在负压及较大震动、排气不畅,而螺旋阶梯式竖井流速较低且流态稳定。在对调蓄隧道中"间歇喷涌"的数值模拟研究中,排气井管径对间歇喷涌的影响十分显著,模拟情景中最剧烈的喷涌会产生5.35倍初始状态下的测压管水头和38.2 m/s的喷涌速度。

高坝水力学中紊流数学模型的应用及改进(Ⅱ)

介绍了采用紊流模型和有限体积方法,通过数值模拟解决几类典型的高坝水力学问题:(1)水垫塘三元典型流态模拟、水垫塘水体消能分区;(2)具有未知底边界的冲刷坑水流模拟;(3)洞塞消能、竖井旋流式消能和龙抬头式泄洪洞反弧段的流场模拟;(4)掺气挑坎形成的高紊动掺气水流的流场模拟。这些问题来源于实际工程,成果也已应用于工程设计中。

高坝水力学中紊流数学模型的应用与改进(Ⅰ)

对高坝紊流数值模拟中的几项关键技术进行了系统总结,特别是介绍了不规则动边界如自由表面和具有未知底部边界的冲刷坑的模拟跟踪技术、正交与非正交网格生成技术、两相流包括水-气两相和固-液两相紊流模拟中的关键技术,指出紊流数值模拟技术将在高坝水力学问题的研究中得到越来越广泛的应用。

压裂支撑剂回流时地面流程防护的水力学研究

水力压裂工艺过程中 ,裂缝中压力梯度的变化会造成支撑剂回流现象 ,这势必对地面流程造成严重的冲蚀破坏。文章在了解多种地面流程防护措施的基础上 ,采用水力学的方法进行了研究 ,提出在节流油嘴上游高压低速区重力沉砂的方法。此外 ,还介绍了一种有效分离固体颗粒的装置———砂粒捕集器的设计思路和原理。装置模型实验结果表明 ,此种方法能除去天然气以及携砂液中的支撑剂 ,实现对地面流程的有效防护。

高坝水力学的理论与实践

在我国高坝工程快速兴建的背景下,高坝水力学呈现出前所未有的发展态势。对我国近年来高坝水力学的理论、方法、技术研究及其在工程中的应用进行了综述,涉及消能防冲、空化空蚀、流激振动、泄洪雾化、水气二相流等多个方面。将该领域的发展趋势归纳为深度、广度和高度3个方向,即理论研究从宏观尺度向细观尺度深化;研究范围从坝区向流域拓展;新技术研发向进一步突出原创性和系统性提升。通过回顾与展望,总结了我国高坝水力学所取得的成就以及目前面临的挑战。

坡面流水力学特性研究的进展

简要介绍了坡面流水流流态、平均流速、水深以及阻力系数等水动力学特性研究现状;全面总结了坡面流水动力学特性诸方面研究的最新进展,并对影响坡面流水力特性的因素进行对比,得出重要结论。最后,提出了坡面流及坡面侵蚀过程研究中存在的主要问题及未来展望。

现代工程水力学

介绍了现代工程水力学的性质、任务及其发展历史 ,从新理论、数学模型和实验研究三方面论述了现代工程水力学的发展趋势 .现代水力学的理论框架将发生很大变革 ,研究对象将突破传统的均匀连续介质假设 ,从自然尺度向细观尺度发展 ,非线性理论和随机理论将得到广泛应用 .水力学与计算机技术紧密结合 ,将出现全新的现代化知识体系 ,随着基础研究的不断深入 ,针对工程水力学的紊流研究将有新的突破 ,关于水流与固体、气体的相互耦联作用的探讨将有重大进展 ,水力学将跨向现代化的新阶段 .

裂腹鱼自然生境水力学特征的初步分析

裂腹鱼是西南山区河流中较具代表性的优势种,广泛分布于雅砻江、大渡河、青衣江的干支流和岷江干流。本文以这些河流为研究对象,选取了39个断面,提取了水面宽、水深、流速等栖息地评估因子的数据,进行统计分析,以断面数据间接揭示裂腹鱼分布河流的水力学特性,既而揭示裂腹鱼生境的一些水力学特性。分析表明,在西南山区河流中,裂腹鱼对最低水面宽的需求应不低于20m,对最低平均流速的需求应不低于0.2m/s,对最低平均水深的需求应不低于0.4m;枯水月2月裂腹鱼对平均流速的需求,小河主要集中在0.4m/s～1.2m/s,中河集中在0.36m/s～0.9m/s,大河集中在0.4m/s～1.0m/s;对水面宽的需求小河主要集中在20m～60m,中河集中在30m～120m,大河集中在65m～180m;对平均水深的需求小河集中在0.3m～0.65m,中河集中在0.44m～2.6m,大河集中在1.5m～5.8m。