固壁紊流流速分布指数型公式和阻力规律——(Ⅰ)粗糙区

基于相似理论中的不完全自相似假设,研究了粗糙区紊流流速分布的结构形式,通过对尼库拉兹粗糙管水流试验资料的分析,进而给出了粗糙区紊流新的指数型流速分布公式,在此基础上,探讨了管道和明渠的阻力规律。     

基于多松弛格子玻尔兹曼的弯道水流三维数值模拟

为研究弯道水流现象并且拓展格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)在水利工程领域的应用,建立了弯道水流的三维多松弛LBM演进模型,其中包括水流自由表面模拟、弯曲固壁边界处理以及紊流模型耦合求解等关键技术。应用该模型模拟研究了不同流量下U型弯道的水流状态,得到了水位、最大水深平均流速以及紊动能等参数的分布规律。分析和实践表明,该模型能较好地模拟三维弯道水流现象。     

冰盖下水流垂线流速分布规律研究

河道中冰盖显著改变了水流流动结构.采用k-ε紊流模型建立了冰盖下水流流动垂向二维数值模型;根据量纲分析理论提出了流速分布规律的影响因素;针对各种因素的不同组合进行了数值计算,并对其流动特性如最大流速点位置、冰区及床面区平均流速等进行了分析研究;对冬季封冻河道的二点测流法精度进行了理论分析.研究结果表明,冰盖下水流的纵向流速在流动核心区并不遵循对数分布规律,同时揭示了冰盖底部与河床的相对粗糙比、河床相对粗糙度及雷诺数对流速分布规律的影响.     

溢流堰与竖缝组合式鱼道紊流结构试验研究

利用声学多普勒测速仪（ADV）实测了凹口溢流堰与同侧布置竖缝组合式鱼道的三维瞬时流速,应用射流力学和紊流统计理论剖析了鱼道水池内的时均流速、紊动强度、雷诺应力、相关函数、紊动尺度等紊流结构。试验研究结果表明:溢流堰与竖缝组合式鱼道池内水流流态呈现出复杂的三维紊流结构;同竖缝相比,溢流堰对紊动强度和雷诺应力的变化有着更为显著的影响,尤其是鱼道池内表层区域;堰流区涡旋的相关性比竖缝壁面射流区好,并且堰流区存在较大尺度的涡旋结构,而竖缝壁面射流区的涡旋尺度则较小。相比单一式鱼道,组合式鱼道紊流结构更加复杂,研究结果可为优化鱼道设计、修复鱼类生境提供参考。     

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。     

冰盖下水流速度分布的二维数值模拟分析

基于标准的κ-ε模型,利用有限体积法,对冰盖下水流速度分布进行了二维数值模拟和分析.结果表明:当冰盖和河床糙率比值变化时,水流速度剖面发生变化;冰盖下的最大流速值比速度对称分布时要大,且偏于光滑的一边;在相对光滑壁处近壁流速值大于相应对称分布时的流速值,该结果与实验室实测速度剖面情况吻合.数值试验表明,最大流速点位置的偏移量仅在有限的范围内,冰盖区、床面区及冰盖下水流平均速度相差较小,表明了工程应用中假定各区流速相等是可行的.     

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。     

过渡粗糙平板紊流边界层统计特性试验研究

本文应用偏振差动式激光测速仪对过渡粗糙平板紊流边界层的统计特性进行了研究,得到紊动强度、紊动流速的三阶矩、四阶矩、概率密度分布形式、功率谱、自相关系数等特征.分析结果表明,可以根据高阶矩的符号对紊流边界层沿垂向进行分区,并给出了分区标准,同时发现,加糙可使边界层紊流趋于均匀和各向同性,即概率密度分布更接近于高斯分布.     

弯道环流流速与泥沙横向输移研究

根据弯道水流特性,分析了断面环流的运动方程,采用普朗特紊流切应力构架建立了横向水流切应力的形式。通过对掺长形式的分析,给出了断面环流横向水流切应力沿垂线表达式,进一步建立了弯道恒定二元环流的横向流速分布公式。经对比分析与资料验证表明,导出的环流流速分布公式结构简单、合理,与资料有较好的拟合性。同时,利用导出的环流流速分布公式,还研究了弯道水流中泥沙的横向输移问题,建立了便于数值模拟的计算模式。     

淹没水跃的数值模拟

利用标准双方程紊流模型数值模拟了进口Fr₁为819、淹没度为024、闸下出流形成的淹没水跃。详细介绍了数值离散格式特别是用VOF方法跟踪非恒定自由表面的数值方法。将淹没水跃的数值模拟结果包括自由表面位置、平均流速、雷诺应力分量的分布与物模试验结果进行了对比,表明该数学模型及数值方法能够较为准确地模拟淹没水跃的大尺度紊流结构及其微观结构。     

封冻河道下流速分布和阻力问题探讨

封冻河道的水流阻力计算和水流速度重分布问题一直是河冰研究的重要问题之一,多年来,很多学者进行了相关研究,然而研究大多采用了冰盖区、河床区及过流断面水流平均速度相等的假定.依据Prandtal半经验紊流理论,采用目前普遍使用的对数流速分布公式,对上述假定进行了研究分析,由分析来看,这种假定的正确性需要探讨;分析也表明,阻力计算时若假定冰盖区和床面区的能坡相等,对宽浅式河道也将导出谬误.依据分析,就如何解决相应的问题提出了思路和建议.     

淹没刚性植被明渠紊流沿程流动特性差异

淹没刚性植被通过改变水流结构,造成时均流速、紊动强度、雷诺应力等水力参数垂线分布不均匀和沿程差异化。采用声学多普勒测速仪(ADV)测量3种淹没度(3.0、4.0、5.0)下的流速,结合统计学方法,系统分析植被段内及其上、下游过渡段流速和紊动特性差异。结果表明：植被显著增强了水流紊动,且紊动特性取值与淹没度正相关;植被段内流速差异在低淹没度下的植被层内和高淹没度下的自由流动层内更加显著,而紊动特性沿程增强,且垂线分布具有相似性,最大值点位于冠层顶部附近;当淹没度满足KH涡的形成和发展条件时,随淹没度的增大,植被段内紊动特性垂线分布出现转折点(临近此点梯度急剧减小并趋于0)的断面数量增多,经验证,在充分发展的紊流区此点可作为KH涡的上边界点。     

丁坝回流分区机理及回流尺度流量试验研究

通过三维激光颗粒动态分析仪(3D-PDA)对玻璃水槽内丁坝回流区的流速进行测量,获得了回流区流速分布的详细资料。根据流量连续原理和回流区流速分布,对丁坝回流区进行了区域划分:沿横向划分为负流速区、正流速区和主流区;沿纵向分为回流减流区和回流增流区。在此基础上进一步研究了回流尺度和回流流量沿纵向的变化规律。结果表明,回流区正负流区流量沿纵向呈纺锤形分布,负流速区和回流区的宽度在纵向基本呈线性变化。     

磨料两相圆形射流紊流方程的建立及其求解

根据一定合理假设从单相圆形层流边界方程的建立和求解入手，分别建立了两相圆形层流射流边界层方程，单相圆形紊流边界层方程和两相圆形紊流边界层方程并给出了各种情况下的流速分布等参数的解答，为研究磨料两相射流对材料的打击和切割作用奠定了理论基础。     

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。     

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。     

淹没植物明渠床面冲淤及其对水流运动的影响

植物的存在改变了河流水动力特性,造成独特的床面冲淤态势。利用实验室水槽模拟含淹没植物的河道,对床面形态和紊流统计特性参数进行测量,研究不同类型紊流作用下的床面冲淤特征以及床面起伏对流动的影响。结果表明:床面剪切紊流条件下,床面形态为马蹄坑-沙沟/沙脊与沙波复合分布,床面变形加剧了流速沿水深不均匀分布并促进水流动量交换;在自由剪切混合层紊流条件下,床面形态为植物根部马蹄形冲坑及其后方沙沟、沙脊交错分布,床面变形对流动的影响并不显著;“类二重紊流”条件下,床面形态同样表现为马蹄坑-沙沟/沙脊-沙波复合,床面变形促进植物层内部的水流动量交换、抑制紊动清扫,抑制植物层外部的动量交换、促进紊动喷射。     

流动环境中圆孔水平热射流三维数值模拟

根据计算流体动力学理论,采用Realizable k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,考虑浮力作用,利用有限体积法来离散求解流动环境中圆孔水平热射流的流动与传热控制方程,对流动环境中圆孔水平热射流进行了三维数值模拟,比较了不同流速比和不同射流出口温度条件下的流动特性和温度分布特性,得到了热射流轨迹的速度和温度衰减规律,分析了流速比和射流出口温度对热射流轨迹温度分布的影响。     

石梁河水库消力池强紊动水流的数值模拟

采用半隐式的控制体积法离散紊流控制方程,考虑曲率修正的双方程紊流模型封闭雷诺应力,引入通度和体积函数的概念,数值模拟了石梁河水库工程改建后两级消力池的泄流过程.计算结果给出了自由表面的演变过程及其相互碰撞、重叠的消力池水流特征,断面流速、压力分布及自由水面位置与物理模型试验结果吻合良好.     

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。