基于高速摄像技术的推移质运动特征试验

在明渠中开展不同水流条件下低强度均匀沙平衡输沙试验,基于灰度相减方法分析整个床面推移质运动特征,以探寻紊流结构与推移质运动之间的作用机理。结果表明:①受水槽横向方向水流强度分布特征影响,推移质运动概率从水槽中线到两侧壁逐渐变小,且基本呈对称分布;②在紊流相干结构作用下,推移质床面在紊流低速条带区形成凸槽,高速条带区形成凹槽,推移质运动概率沿水槽横向方向存在高低相间的带状分区;③随摩阻雷诺数增大,相邻两推移质运动高概率区域的间距值变化范围为0.13~0.24倍水槽宽度,其值随摩阻雷诺数增大而增大;④不同水流条件下,推移质运动高概率区域间距值约为水深的2倍,这与流向涡模型吻合,表明流向涡是诱导床面出现凹凸相间形态的重要因素。     

不同渗流强度对明渠水流结构影响的试验研究

关于明渠流引入渗流后的水流运动规律研究很多,但学者们的研究却存在着不同的结论。为探究不同渗流强度对明渠水流结构的影响,通过自行设计的明渠紊流水槽及渗透装置,利用PIV（Particle Image Velocity）图像采集系统及数据分析软件,测量了水流流速并分析了流速变化与相对渗流强度的关系。结果表明:水流流速并不是渗流强度的单值函数关系,随着入河渗流强度的增加,近底水流流速呈先减小后稍有增加,又继续减小的趋势;出河渗流时流速变化趋势与入河相反;出河及入河渗流都有着拐点的存在,且对应的相对渗流强度与雷诺数相关,雷诺数越大,拐点出现时对应的相对渗流强度越小。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

基于模式匹配法的明渠紊流涡结构分析

对涡结构进行识别是紊流涡动力学研究的难题,为了降低涡识别方法对流速测量空间分辨率的要求,消除阈值对涡识别结果可能产生的影响,提出了基于二维平面流场的涡结构模式匹配方法。应用该方法对明渠紊流中涡结构的密度、涡量、半径和强度等特征参数和涡动力学特征进行了分析。结果表明,涡结构的密度和涡量沿水深逐渐减小,涡半径沿水深逐渐增大,涡结构的环量在近壁区迅速增大而随后基本维持稳定;在相同水深处,顺向涡密度大于逆向涡且具有更强的旋转运动;顺向涡的平均流场具有典型的发夹涡群特征,部分逆向涡与顺向涡在空间上具有相关关系。     

含挺水植物和沉水植物水流紊动特性

在一定的水动力条件下,不同水生植物对水流结构改变的程度及对底泥再悬浮的影响由于其形态结构的差异有所不同.在玻璃水槽中铺设太湖底泥并种植天然沉水植物(水蕨)和挺水植物(菖蒲),通过水槽实验,用三维声学多普勒流速仪ADV对植物段紊流特性进行测量研究,分析含水生植物明渠水流的水力特性及底泥再悬浮规律.结果表明:含沉水植物和挺水植物明渠水流的垂向流速分布各自遵循不同的规律;其紊动强度和雷诺应力具有明显的各向异性特性;在沉水植物冠层交界处及挺水植物的茎杆和枝叶分叉处,紊流强度及雷诺应力均出现最大值;在一定条件下沉水植物和挺水植物均能抑制底泥再悬浮,但当雷诺数达到一定数值时,水生植物的存在反而加剧了底泥的再悬浮,与挺水植物相比,沉水植物对底泥再悬浮的抑制效果要更好.     

基于图像处理的明渠紊流近壁区条带结构试验

基于图像处理技术,对明渠紊流近壁区的水流低速条带结构进行了测量和分析。条带结构采用天然沙进行示踪,使用高清相机拍摄高分辨率图像,通过形态学方法提取其几何特征。分析条带的宽度及间距的变化特点,得到结果:① 低速条带宽度从水槽中线到两侧壁逐渐变小,沿中线基本呈对称分布;② 摩阻雷诺数在276~465范围时,条带宽度和间距量纲一值的变化范围分别为20.8~29.8和 99.3~126.7,条带面积占图像总面积百分比为23.4%~15.9%;③ 随摩阻雷诺数增大,低速条带的宽度和间距加大,而条带面积百分比逐渐减小。试验结果表明,低速条带结构随水流摩阻雷诺数的变化非常复杂,而图像处理技术提供了一种高效率、高精度的测量手段。     

沉水植被斑块尾流多尺度紊流结构研究

探究斑块尾流中多尺度紊流结构对理解植被群落影响下的泥沙输移规律和河床演化过程有着重要意义。通过室内水槽试验,分析不同高径比及植被体积分数影响下的斑块后水流特性,得到时均流速及雷诺应力分布规律;通过谱本征正交分解对其脉动场进行分析,探究不同尺度涡的空间模态及能量分布规律。研究结果表明：(1)冠层垂向剪切层内剪切强度及其最大量纲一剪切层垂向厚度随着植被体积分数增大而增大,随着高径比增大而减小。(2)斑块尾流中,大尺度涡旋对应频率集中在0.15～0.29 Hz,对应斯特劳哈尔数为0.16～0.32,垂向分布介于0.2～1.3倍植被高度,纵向分布介于2～6倍斑块直径,横向关于植被中心线呈现出非对称分布。(3)纵向出流流速及剪切层内紊动强度是影响稳定尾流区长度的重要因素。剪切层纵向输运速度随着纵向出流流速增大而增大,剪切层垂向扩散速度随着紊动强度的增大而增大。     

横向振动格栅紊流紊动特性试验

建立了一套大尺度格栅紊流试验系统,格栅进行有别于传统垂向模式的横向振动,采用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)测量流速。对瞬时流速的检验表明,该系统产生的紊流场具有较强的随机性和统计规律性。均方根流速在格栅片附近变化较大,在两片格栅中间处趋于稳定,纵向均方根流速明显大于垂向均方根流速,二者比值在1.5~2.0之间,接近天然明渠紊流。雷诺应力在距格栅越近处波动越大,随着距格栅距离的增加而减小,至两片格栅中间处雷诺应力基本为0。时间和长度积分尺度在格栅片处最小,随着距格栅距离的增加而线性增加,至两片格栅中间处达到最大值。流速能谱呈现Kolmogorov理论的-5/3次方规律。本系统生成的紊流场的统计规律与传统的垂向振动格栅紊流较为一致,但纵向和垂向的紊动强度更接近实际,为后续紊流中泥沙和污染物等运动机理的研究奠定了基础。     

过渡区动床明渠流的流速分布

利用激光流速仪测量了随水流强度加大松散床面,从定床到具有一定输沙强度的动床流动,试验水流条件均处于过渡区。试验资料分析表明,动床过渡区明渠流的卡门常数小于通常所采用的0.4;水流强度逐渐增大,随着推移质运动量增加,阻力系数有减小再增大的趋势;雷诺应力分布和紊动强度分布规律同光滑明渠流类似。     

明渠均匀流Q结构分布及运动特性

为了解明渠均匀流湍流Q结构(Quadrant events)第一象限事件(Q1)、第二象限事件(Q2)、第三象限事件(Q3)和第四象限事件(Q4)的时均与瞬态运动特性,使用高频粒子成像测速系统对3种明渠湍流二维瞬时流速矢量场进行测量,统计分析明渠湍流脉动流速场中Q结构的雷诺应力、发生频率、占据测量区域面积率以及Q结构与涡结构运动关系。结果表明:Q1与Q3结构时均特性相似,具有发生频率低、面积占据量少、负瞬时脉动动量通量小等特点;而Q2与Q4结构时均特性与之相反,且Q4结构发生频率沿水深增加而逐渐增多至0.8H附近达到最大,Q2结构发生频率在壁面区域为最大,沿水深增加而减小。明渠瞬态运动特性主要表现为水面区造成Q4结构向下运动,挤压、推进、爬升床面区的Q2结构伴随其自身形变的瞬态发展过程。     

Finite Prandtl number 2-D convection at high Rayleigh numbers

Finite Prandtl number thermal convection is important to the dynamics of planetary bodies in the solar system. For example, the complex geology on the surface of the Jovian moon Europa is caused by a convecting, brine-rich global ocean that deforms the overlying icy “lithosphere”. We have conducted a systematic study on the variations of the convection style, as Prandtl numbers are varied from 7 to 100 at Rayleigh numbers 106 and 108. Numerical simulations show that changes in the Prandtl number could exert significant effects on the shear flow, the number of convection cells, the degree of layering in the convection, and the number and size of the plumes in the convecting fluid. We found that for a given Rayleigh number, the convection style can change from single cell to layered convection, for increasing Prandtl number from 7 to 100. These results are important for determining the surface deformation on the Jovian moon Europa. They also have important implications for surface heat flow on Europa, and for the interior heat transfer of the early Earth during its magma ocean phase. Electronic Supplementary Material is available if you access this article at . On that page (frame on the left side), a link takes you directly to the supplementary material. Electronic Supplementary Material is available if you access this article at . On that page (frame on the left side), a link takes you directly to the supplementary material.     

明渠弯道水流平均运动规律试验研究

利用高频粒子图像测速PIV(Particle Image Velocimetry)系统对明渠弯道水流进行了测量,在两种不同试验方式的配合下,不仅提供了大量高精度的平面二维流场数据,还成功重构了弯道水流的三维平均流速场,为深入研究弯道水流复杂的时均流动结构提供了试验依据。试验结果表明,由于弯道曲率不连续,水流主流区在弯道入口位于凸岸附近,随后在离心力的作用下逐渐转移至凹岸,并一直维持至弯道出口;凹岸顶托及环流运动导致不同横向位置处的纵向流速剖面近床面区域速度梯度及最大流速的位置沿程发生改变;弯道曲率越大,最大水深平均纵向流速转移至靠近凹岸一侧的位置离弯道入口越远;受上游直段二次流的影响,环流运动在弯道入口断面呈三涡结构,随后快速衰减为双涡结构;弯道主环流的强度沿程先增加后减小,涡核位置沿程往复摆动。     

弯道凹岸不同部位崩塌体对近岸水流结构影响的试验研究

二元结构河岸失稳后,上部河岸发生崩塌并堆积在近岸,从而改变近岸水流结构并影响河岸二次侵蚀过程。为了探索弯道凹岸不同部位的崩塌体对近岸水流结构的影响,以长江中游石首河段为背景,开展概化模型试验,采用多普勒流速仪（ADV）精细测量崩塌体附近三维水流流速,并对比分析有无崩塌体时水流及壁面剪切力的变化规律。结果表明:位于顶冲点上游的崩塌体,使纵向流速最大区域远离凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力减小;而位于顶冲点下游的崩塌体,使纵向流速最大区域靠近凹岸,从而使崩塌体与河岸坡脚之间区域内的平均壁面剪切力增大。研究成果丰富了对二元结构河岸侵蚀过程的认识,有利于河岸侵蚀模型的发展与完善。     

A Fluid-Dynamical Study of Crystal Settling in Convecting Magmas

Thermal convection in magma chambers is believed to be almostalways highly time-dependent, or ‘turbulent’, andpredicted convective velocities are commonly orders of magnitudelarger than settling velocities for typical crystals calculatedfrom Stokes' Law. To understand crystal settling in magma chamberswe have therefore undertaken a theoretical and experimentalstudy of particle settling in a turbulently convecting fluid. The regime of interest is where the ratio, S, of the Stokes'Law settling velocity, v_s, to the root mean square verticalcomponent of convective velocity, W, at mid-depth in the fluidis less than unity. Although v_s < W, settling is still possiblebecause convective velocities are height-dependent and mustdecrease to zero at the boundaries of the fluid. Particles immediatelyadjacent to the bottom boundary settle out with their full Stokes'settling velocities. At the same time, convection is vigorousenough to ensure that the distribution of particles in the fluidis uniform. It follows that the number of particles in suspensiondecays with time according to an exponential law, and the decayconstant is simply the ratio of v_s to h, the depth of the fluid.Experiments confirm this relationship, at least for low particleconcentrations, provided S < 0.5 and there is no re-entrainmentof particles from the floor of the tank. We apply this relationship to crystals in magma chambers andso calculate residence times for typical crystals. We find thatfor basaltic magmas the predicted residence times are smallcompared with the many thousands of years that a chamber takesto solidify if cooling is dominated by conduction through thecountry rock. We therefore conclude that crystal settling maybe an efficient differentiation mechanism. Significant magmaticevolution may, however, take place on time-scales that are competitivewith these residence times. If the settling of crystals is the rate-limiting step duringthe crystallization of a magma chamber it is expected that asteady state will be achieved at which the rate of supply ofcrystals into the convecting magma by crystallization balancesthe rate at which crystals settle out. We show how this ideacan explain both the lack of hydraulic equivalence in cumulaterocks and the commonly observed discrepancy between the relativeproportions of phenocrysts of various phases in fractionatedbasaltic lavas and the calculated relative proportions of thesemineral phases in the fractionating assemblage. Finally, anattempt is made to calculate the steady-state crystal contentof convecting magma chambers. Comparison of the predicted crystalcontents with the observed phenocryst contents of typical basalticlavas suggests that magma chambers may often cool more rapidlythan would be expected for conduction through the country rockalone.