大坝泄洪下游水体溶解气体超饱和理论分析及应用

根据溶解气体的传输过程,对大坝泄洪导致下游水体溶解气体浓度超饱和现象进行了理论分析.引入溶解气体的有效饱和浓度、气泡被卷吸进入水体的有效水深等参数,认为下游水体中溶解气体的来源不仅依赖于大气在自由水表面的传质,而更多地依赖于气体在气泡界面的传质.把难以测量的气体传质系数、气泡尺寸等参数与水流的紊动特性参数建立定量关系,以美国Ice Harbor大坝为例,采用该定量关系式计算了下游水体中溶解气体浓度的分布,实测结果验证了理论分析的合理可靠性.     

含沙量对过饱和总溶解气体释放过程影响分析

高坝泄水常为高含沙水流,对含沙水体过饱和总溶解气体(TDG)释放规律的研究具有重要的理论和现实意义。为探讨泥沙含量以及紊动强度等特性对过饱和TDG释放过程的影响,设计了静置水柱、搅拌诱发紊动以及明渠水流3种实验条件,通过对不同含沙量工况下过饱和TDG释放过程的观测研究,分别计算各工况下的释放系数。结果表明,泥沙含量和紊动强度均对过饱和TDG的释放起着促进作用,而且随着含沙量和紊动强度的增大,释放系数逐渐增大。本研究对于过饱和TDG数值模拟研究中释放系数的取值具有指导意义,同时也可为过饱和TDG影响的减缓措施研究提供基础数据和参考依据。     

BOD5-DO参数反问题偶合模型的研究

根据反问题理论和离散反演算法建立了BOD₅-DO参数反问题偶合模型,并推导出偶合模型的参数解式.对复氧系数、耗氧系数、沉淀-再悬浮系数、光合作用产氧-生物呼吸耗氧系数和自净系数随空间变化规律进行了定量计算,为河流水体自净规律的研究开辟了新途径.     

明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验

受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。     

一种改进的近岸波浪破碎数值模型

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎.模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟.岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算.用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果.紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡.     

多孔紊动射流的数值模拟与实验研究进展

多孔射流作为流体运动的一种重要类型,在工程中具有非常广泛的用途。由于多孔射流各股水流之间的卷吸和掺混的存在,增加了流场的复杂性。长期以来研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟方面对多孔紊动射流进行了大量的研究工作,目前已经认识了流场中的许多流动特性和流动机理。从数值模拟和实验研究两个方面,比较分析了国内外多孔紊动射流的研究现状和研究结果,评述了不同湍流模型以及不同实验测量方法对紊动射流的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望。     

表面驻波作用下紊动射流运动特性的试验研究

对表面驻波作用下紊动射流运动进行了试验研究。应用多普勒激光测速仪(LDV)进行流速场量测,应用电容式波高仪测量表面波动特性。结果表明,在表面驻波作用下,紊动射流动量主导远区流速的横向变化仍然可以用高斯分布表达,横剖面上流速的等值线图由原来对称于轴心的圆形变形为椭圆形;表面波动增强了紊动射流的扩散能力。     

瞬时排放泥沙颗粒团在横流中对流扩散特性的实验研究

河道维护、航道开挖及疏浚等一些工程,常常将挖掘的泥沙抛入流动的水体中,利用横流对泥沙颗粒团的对流扩散作用来稀释泥沙浓度.针对这类工程进行水环境质量影响评价时,首先要识别泥沙的运动特性.通过实验手段,研究不同级配的泥沙颗粒团瞬时排放后在横流中迁移扩散混合特性.实验结果表明,泥沙颗粒团进入水体后,在浮力、重力、阻力和横流紊动的综合作用下发生对流扩散;横流是产生泥沙对流运输的主要动力,横流的紊动作用,加强了泥沙颗粒团与水体的混合作用,并且破坏了其在静水中的双漩涡结构,因此大大地增加了垂向前锋位置和纵向扩散宽度.通过分析得出了无量纲泥沙颗粒团垂向前锋位置与时间、纵向扩散宽度与时间以及垂向前锋位置与纵向扩散宽度的3个关系式中的参数(α₁、α₃和α₂)均值及其变化范围,可应用于抛泥对水体环境的影响评价.     

曲线坐标系二维带自由表面强紊动水流数值模拟

将追踪自由表面的流体体积(VOF)法应用于曲线坐标系下水流控制方程的求解中,计入流线弯曲对水流紊动特性的影响,建立了垂向二维强紊动水流的曲率修正的紊流模型,并对溢流坝反弧段的紊流特性进行了数值模拟。数值计算时,采用有限体积法离散水流的控制方程;物理变量,如:压力P、紊动参量κ、ε、γt等,采用交错方式排列(交错网格布置),用SIMPLEC算法求解离散方程。计算结果表明,得到的溢流坝反弧段的自由表面位置、速度场、压力场、剪应力分布和紊动能分布与实验结果吻合良好。     

30°分水角明渠水流紊动特性试验研究

灌区分水口多为直角, 附近普遍存在冲刷、淤积及结构破坏现象。天然河流分、汇流多为锐角, 为探索非直角分水口区域明渠水流紊动特性, 以30°分水角明渠为研究对象, 采用声学多普勒点式流速仪测量各断面上的三维瞬时流速, 分析典型断面上的时均流速、环流强度、紊动强度、紊动能和床面剪切应力分布规律。试验结果显示: 分水口处水流横向流速沿渠宽方向变化较大, 易形成环流, 导致局部冲淤现象明显; 靠近口门侧水流紊动强度变化剧烈且分布无规律, 最大值出现在口门上唇断面; 分水口处下层水体紊动能明显大于上层水体, 紊动能较大值多集中在口门附近; 口门断面下唇附近床面剪切应力较大, 易出现冲刷侵蚀, 破坏渠道稳定; 与直角分水口相比, 分水角为30°时, 泥沙颗粒不易进入侧渠道, 水流对渠底及边壁侵蚀速率较低。研究结果可为灌区渠系设计及运行提供参考。     

含层间错动带岩体的破坏模式及其剪切特性研究方法探讨

层间错动带存在的普遍性,给世界上许多工程带来了岩体稳定性问题和地质灾害。通过对因层间错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,采用岩体结构控制理论的观点将含层间错动带的岩体的破坏模式分为拉裂破坏、掉块和层间剪切滑移破坏3大类。以此为基础,提出剪切力学模型是层间错动带力学模型研究的重点。对层间错动带剪切力学特性的现有试验方法和建模理论进行评述,并根据现有的研究基础,提出屈服面蠕变模型是当前层间错动带剪切蠕变模型的较好选择。     

拉力分散型锚索锚固段荷载传递机制

预应力锚索是岩土锚固最常用的结构形式之一,使用的锚索类型越来越多。锚索锚固段的荷载传递是控制锚索性能和工程设计的关键,应用剪滞理论分析了锚固段的受力和荷载传递机制,并对拉力分散型锚索的锚固机制进行探讨。分析结果表明,拉力分散型锚索锚固段剪应力在软化段逐渐增加至峰值剪应力,随后减小,其分布模式与现场试验结果比较一致。     

引黄水在北大港水库蓄存期水质咸化的研究

依据引黄水在北大港水库蓄存期水质咸化的事实以及传质理论,定性地分析了引黄水水质咸化的主要原因,包括盐碱土传质作用、蒸发浓缩作用以及风的扰动加速传质作用等.在北大港水库旁修建了一个模拟试验水池,进行了现场模拟试验研究.依据水量平衡和氯离子总量平衡的原理,分别定量地计算了传质作用和蒸发浓缩作用对水质咸化影响的比重.结果表明,在模拟水池蓄水后的30 d内,传质作用对水质咸化影响的比重有随时间增加而增长的趋势;30 d后,传质作用对水质咸化影响的比重稳定在80%,蒸发浓缩作用对水质咸化影响的比重稳定在20%,说明导致水质咸化的最主要因素是盐碱土传质作用.     

考虑埋入长度效应的应变传感光纤-土体界面特性试验研究

随着光纤传感技术越来越多地应用于地质灾害和岩土变形监测,理解应变传感光纤与周围岩土体之间的变形耦合机理成为监测结果分析中的重要一环。但是相关的研究较少,尤其是有关埋入长度对传感光纤-土体界面特性及应变传递过程的影响尚未得到充分的认识。本文通过拉拔试验,研究了不同埋入长度条件下纤-土界面的力学性质,并采用一个数学模型对拉拔曲线进行了预测。结果表明:该模型能较好地拟合拉拔力-拉拔位移曲线;有效拉拔位移和最大拉拔力均随着埋入长度的增加而线性增加;而传感光纤-土体界面抗剪强度则随着埋入长度的增加而降低。在此基础上,采用布里渊光时域分析技术（BOTDA）获取了传感光纤与土体界面逐渐脱离过程中光纤的应变分布情况,并计算了纤-土界面剪应力分布特征及其演化过程,结果进一步证实界面破坏有高度的渐进性。这些结果为掌握应变传感光纤与周围土体之间的协调变形机制提供了参考,为促进光纤传感技术应用于岩土变形监测打下了基础。     

水文地球化学综合模型的数值模拟——以大同麻峪口地区为例

运用多相、多矿物、多组分化学平衡和Ｈｅｌｇｅｓｏｎ发展的质量迁移计算理论,以大同麻峪口地区为例,依据该区岩石矿物鉴定结果,建立质量迁移数学模型,采用ＰＨＲＥＥＱＥ程度,模拟计算获得原生矿物溶解量、次生矿物生成量和进入水中的物质量。计算所得地下水化学成分、水化学类型与实际水样分析结果接近;结合化学热力学结果研究了水化学类型分带机制和环境条件,进而模拟和验证了化学反应,元素迁移和分异,以及制约水化学分     

Modelling of internal erosion based on mixture theory: General framework and a case study of soil suffusion

A general thermo-hydro-mechanical framework for the modelling of internal erosion is proposed based on the theory of mixtures applied to two-phase porous media. The erodible soil is partitioned in two phases: one solid phase and one fluid phase. The solid phase is composed of nonerodible grains and erodible particles. The fluid phase is composed of water and fluidized particles. Within the fluid phase, species diffuse. Across phases, species transfer. The modelling of internal erosion is contributed directly by mass transfer from the solid phase towards the fluid phase. The constitutive relations governing the thermomechanical behaviour, generalised diffusion, and transfer are structured by the dissipation inequality. The particular case of soil suffusion is investigated with a focus on constitutive laws. A new constitutive law for suffusion is constructed based on thermodynamic conditions and experimental investigations. This erosion law is linearly related to the power of seepage flow and to the erosion resistance index. Owing to its simplicity, this law tackles the overall trend of the suffusion process and permits the formulation of an analytical solution. This new model is then applied to simulate laboratory experiments, by both analytical and numerical methods. The comparison shows that the newly developed model, which is theoretically consistent, can reproduce correctly the overall trend of the cumulated eroded mass when the permeability evolution is small. In addition, the results are provided for four different materials, two different specimen sizes, and various hydraulic loading paths to demonstrate the applicability of the new proposed law.     

Thermomechanical effects on adsorbed water in clays around a heat source

Numerical results of the simulations of the saturated clay response to a line heat source with a constant power output are presented and compared to the analytical solutions. Mixture theory of two interacting thermoelastic constituents is employed for the modelling. In this theory, mass transfer between the adsorbed water and bulk water is included to simulate the degeneration of adsorbed water into bulk water occurring at elevated temperatures. A finite difference method with non-uniform mesh is adopted to determine both the near- and far-field behaviour. The degeneration of adsorbed water into bulk water is more pronounced close to the heat source. This may produce a lower excess pore water pressure, a higher permeability increase, and accelerate the water flow in the vicinity of the heat source.     

挥发性毒物水气耦合扩散模型

挥发性毒物泄漏进入天然水体造成水污染,因其挥发又造成空气污染。为反映水污染与空气污染的耦合影响,以体积比函数方法建立的体现气液交界面流动的水气动力学模型为基础,根据挥发作用中的双膜理论,利用量纲一亨利常数,建立挥发性毒物水气耦合扩散模型,以描述毒物在水体、空气及气液交界面的迁移过程。对挥发性毒物泄漏实例和水气交换实验进行数值模拟,模拟结果与实测结果较吻合。同时,还分析了水流湍动、风速及量纲一亨利常数对挥发性毒物在气液交界面上传质过程的影响。     

床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

泥-水界面物质交换过程对自然水体中污染物的迁移转化起重要作用,粗糙底床界面物质交换过程涉及到床面粗糙度和底床渗透率的影响。通过实验室环形水槽实验测量得到水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量的定量数据和变化特征,采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。实验结果表明,在实验参数变化范围内,受上覆水平均流速、床面粗糙度和底床渗透率的共同作用,有效扩散系数从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征,采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析,确定了不同流动区域的相应阈值以合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。