波流环境中垂向圆管射流三维运动和稀释过程模拟

采用大涡数值模拟方法建立了波流环境中垂向圆管射流三维物质输运数学模型,在此基础上分析了波流共同作用下射流运动和稀释过程,并探讨了波浪对射流三维时均浓度特征的影响。数模结果与实测数据的对比表明,该模型能够正确复演波流环境中射流速度和浓度沿水深分布的规律。引入了射流的三维浓度特征指标,即断面最小稀释度及其垂向位置和断面可视范围面积,发现随着波高或波周期的增大,波流环境中射流的断面可视范围面积逐渐增加,这说明波浪对射流的稀释起到一定的促进作用。     

波浪环境下多孔射流水动力特性试验

为了研究波浪对多孔射流运动和稀释过程的影响,采用粒子图像测速（PIV）及激光诱导荧光（LIF）量测系统对波浪环境下多孔射流的速度场和浓度场进行了测量。结果表明:在波浪环境下多孔射流可分为3个区域,即初始区、过渡区和混合区。在初始区,各孔射流保持各自的射流特征,相互影响较小;在过渡区,各孔射流发生分叉,并在孔与孔之间相互叠加,形成若干个汇流点,平均速度和平均浓度的峰值从射流轴线位置向汇流点处偏移;在混合区,多孔射流相互融合,其平均速度和平均浓度呈现单一的“坦峰”分布,形式上表现为单孔射流的水动力特征。通过对比分析发现,波高和周期的增大以及射流初始速度的减小可使汇流点的位置向下偏移,多孔射流将更快地进入过渡区和混合区。     

滩地植被化明渠中横向水平射流特性试验研究

运用Micro ADV测速系统,对3种工况下滩地植被化的复式断面横流环境中三维圆形水平射流的特性进行了试验研究.试验测得的射流典型横断面速度场及湍动能的成果表明,射流与来流的相互作用表现出明显的分叉现象,其分叉半角为5.71°;复式断面二次流具有加速射流分叉的作用,滩地植被具有减缓射流分叉的效应.对射流出口平面的速度场及湍动能的分析表明,射流轨迹曲线的弯曲程度、射流中心线的位置主要取决于射流与来流流速比.流动横断面流速和湍动能特性表明,射流在整个流场中是各向异性的.     

排放角度对波浪环境中圆管射流运动和稀释特性的影响

采用粒子图像测速和平面激光诱导荧光技术对波浪环境中倾斜射流的运动和稀释特性进行了实验研究,对比分析了排放角度对射流瞬时运动形态、时均速度场和时均浓度场的影响。实验结果表明排放角度的变化对波浪环境中射流的运动形态、速度分布和混合范围等均有显著影响。当射流顺波浪方向运动时,射流主体段速度剖面呈双峰分布,达到初始浓度20%、30%、40%和50%的混合范围随排放角度增加而先增大后减小;当射流逆波浪方向运动时,射流速度剖面双峰分布不明显,相应的混合范围随排放角度增加而减小。在波浪牵引和射流卷吸的共同作用下,逆向射流的稀释效果总体上优于与垂线方向相同夹角的顺向射流。     

海岸动力环境下射流运动研究综述

开展海岸动力环境下射流运动规律和扩散机理研究,对于丰富复杂动力条件下的射流基本理论、指导沿海地区污水有序向海排放有着重要的理论和现实意义。系统回顾和总结了国内外在这一领域的研究内容和相关研究成果,评述了潮流(水流)、波浪和波流环境下射流运动规律的研究进展,指出了进一步开展波流相互作用下射流运动研究的可行性和必要性,并提出了利用物理实验和大涡数值模拟手段对波流共同作用下射流特性进行综合研究的思路和方法。     

静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(Ⅰ)数学模型及计算方法的验证

建立静止环境中有阻力圆盘浮力射流的RNG湍流模型,考虑浮力对射流的影响,采用混合有限分析数值格式来离散求解数学模型,结合有效的试验资料进行模型和计算方法的检验,预报给出了阻力盘对圆形浮力射流轴线浓度的影响范围;提出轴线浓度校正系数的概念,从而清晰直观地证实了阻力盘具有提高射流近区稀释度的作用;确立了H/D为影响轴线浓度的重要参数,且H/D=10为阻力盘是否提高近区稀释度的判别标准;数值模拟发现,当H/D<1时,正常绕流发生的弗劳德数F₀的范围会很快缩小,容易出现非正常绕流;并且盘离射流孔口较近时,射流容易被反射,离孔口较远时,绕流容易出现分叉.并就如何控制射流流态和提高稀释度提出了两点建议.     

静止环境中有阻力圆盘浮力射流特性的研究——(I)数学模型及计算方法的验证

建立静止环境中有阻力圆盘浮力射流的RNG湍流模型,考虑浮力对射流的影响,采用混合有限分析数值格式来离散求解数学模型,结合有效的试验资料进行模型和计算方法的检验,预报给出了阻力盘对圆形浮力射流轴线浓度的影响范围;提出轴线浓度校正系数的概念,从而清晰直观地证实了阻力盘具有提高射流近区稀释度的作用;确立了H/D为影响轴线浓度的重要参数,且H/D=10为阻力盘是否提高近区稀释度的判别标准;数值模拟发现,当H/D<1时,正常绕流发生的弗劳德数F0的范围会很快缩小,容易出现非正常绕流;并且盘离射流孔口较近时,射流容易被反射,离孔口较远时,绕流容易出现分叉。并就如何控制射流流态和提高稀释度提出了两点建议。     

圆形断面管道非满流水动力特性

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响，应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术（FAVOR），针对圆管非满流建立三维数值模型，通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验，分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明：圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性，据此提出了垂线流速分布的抛物线公式；针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式；雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律，充满度越大且距中垂线越远，沿垂线的变化梯度越小；当充满度大于0.5时，由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。     

圆形断面管道非满流水动力特性

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响，应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术（FAVOR），针对圆管非满流建立三维数值模型，通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验，分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明:圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性，据此提出了垂线流速分布的抛物线公式；针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式；雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律，充满度越大且距中垂线越远，沿垂线的变化梯度越小；当充满度大于0.5时，由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。     

上下台阶开挖下城门形隧洞纵向变形规律分析

隧洞纵向变形规律曲线能有效地反映洞壁围岩变形随掌子面推进的演化过程,然而,原有适用于圆形隧洞全断面开挖的纵向变形规律公式是否适用于城门形隧洞分部开挖,尚需进行进一步的验证。本文借助于FLAC3D软件对城门形隧洞上下台阶分部开挖下的纵向变形规律进行了研究,并对不同初始地应力条件、不同围岩类型下该规律的变化进行了深入分析,提出了确定该规律的经验公式,并与紫坪铺工程导流隧洞现场监测数据进行了对比,研究发现:上下台阶开挖下的纵向变形规律曲线与全断面开挖具有相似的形状,但是掌子面处的位移比ur(0)/ur∞存在较大差异;当侧压力系数大于1.0时,变化水平应力对边墙测点的纵向变形规律曲线影响较小;采用平面应变模型并结合本文提出的经验公式可对城门形隧洞上下台阶开挖下的纵向变形规律曲线进行预测。工程实例验证表明,采用经验公式计算所得曲线与监测数据比较吻合。利用本文经验公式能简便、较准确地预测围岩变形规律,结合监测数据进而可对隧洞总变形进行初步预测。 更多还原     

江汉平原第四系弱透水层渗透系数求算方法

弱透水层的渗透系数是区域地下水流系统划分和关键带水-土-生作用的重要参数.结合江汉平原关键带调查采集1:5万杨林尾-陆溪口图幅钻孔52组不同深度、不同岩性的原状土样,利用改进的渗透仪进行室内渗透实验,对粘性土样的渗透系数和粒度特征参数进行经验公式修正.发现研究区沉积物渗透系数与含水岩组埋深和岩性有关.浅层孔隙潜水含水岩组以粉质粘土、粘土为主,沉积环境稳定,渗透系数约10-9 m/s,变异系数为1.56;中深层承压含水岩组夹有多层粘土和粉砂,呈现多旋回分布的典型河湖交互作用的沉积环境,渗透系数为10-10~10-6 m/s,变异系数为2.04,变异性较大.利用有效孔隙比e_u与黏粒含量P的显著二项式关系,修正预测粘性土渗透系数的太沙基经验公式,预测值与室内实测数据基本吻合,二者比值均小于10,验证了太沙基修正公式在河湖相平原区的适用性.      

波流环境中射流的大涡数值模拟

采用大涡模拟方法（LES）对波流环境中的垂向圆管射流进行了数值模拟。出口边界采用人工海绵层加零梯度条件以减小数值反射,且保证自由出流;入口边界分别采用线性叠加和非线性叠加的波流边界条件,通过与物理实验数据对比发现,采用非线性叠加的边界条件时模拟精度更高。数模结果表明,在波浪和水流共同作用下,射流体上部出现了较为明显的“水团”现象,射流平均速度矢量较纯流环境中更靠近底床,这与前期实验观察的结果一致。     

考虑局部冲刷的跨海桥梁桩基基础波流力

跨海桥梁桩基基础所受的波流荷载是跨海桥梁设计中重点考虑的荷载之一,实际工程中波流力的计算多参考《港口与航道水文规范:JTS145—2015》中推荐的单桩桩基基础波流力计算方法,未合理考虑局部冲刷形状的影响。以港珠澳大桥为例,在桩基基础波流力和冲刷试验结果的基础上,通过对计算模型中流速、C_D、C_M等参数的选取进行修正,提出了考虑局部冲刷形状的桩基基础波流力计算方法,在保证工程安全性的同时兼顾了工程的经济性,并成功应用于港珠澳大桥桥梁桩基的设计中。     

排海污水挟沙射流研究进展

排海污水中往往含有一定数量的悬浮物, 这些悬浮物在排放口附近中呈现出复杂的扩散与沉降特性, 具有挟沙射流的典型运动特征。本文系统回顾了静水、恒定流、潮流和波浪等环境下排海污水挟沙射流的研究进展, 发现在不同动力环境下挟沙射流泥沙沉积形态存在显著差异性。如何精细刻画波浪-水流-射流多动力耦合过程及其对泥沙输运和沉降过程的影响是排海污水挟沙射流研究的难点所在, 对此提出了基于PIV/PLIF固相分离物理试验、粒子追踪两相流数值模型和拉格朗日积分模型, 系统开展波流共同作用下挟沙射流运动规律研究的设想, 以期为排海污水工程的优化设计提供重要参考。     

横流中圆孔湍射流的旋涡结构

应用PIV流场测试系统,研究不同流速比的横流中圆孔湍射流的旋涡结构。发现主要有4类旋涡,即射流主体周缘剪切层的类开尔文涡列、横流绕流分离旋涡、射流喷口前缘的马蹄涡系和尾迹涡。分析了这些旋涡的形成机理及其拓扑性质,射流近区有两条分离线,一条是横流绕流分离线,另一条是使射流两侧剪切层旋涡进入分离旋涡区的分离线。证实绕流分离旋涡最终在射流的顺流贯穿段进入射流主体,混合形成射流主体内的主反向旋转涡对。     

贵州深切峡谷区典型岩溶地下河水文水化学特征

黔中水利枢纽水源工程——平寨水库位于贵州高原三岔河深切峡谷型岩溶区,是保障黔中地区水资源安全的重要水利基础设施。文章采用水文水化学自动监测技术,对前期水文地质基础研究较为薄弱的平寨水库区间流域内的重要支流——三塘地下河系统的水文水化学变化规律进行了研究,在此基础上探讨了深切峡谷型岩溶地下河系统的岩溶发育规律及管道模式。研究结果表明,该地下河系统水化学动态主要受覆被CO₂效应、有效降雨稀释效应和径流-排泄通道开放效应三者的控制。在不同时间尺度和大气降水条件下,水化学动态的总体变化特征不同,起主导作用的效应也有所不同。水温在年尺度上呈夏季高冬季低的变化规律,日尺度上呈昼高夜低的变化规律。电导率和水中CO₂分压的动态变化,年尺度下,在覆被CO₂效应与稀释效应的共同作用下总体呈现平水期较高丰水期较低;月尺度下,降雨初期可见明显的覆被CO₂效应,降雨后则为有效降雨的稀释效应主控;在旱季无雨条件下的日尺度上,可见由径流-排泄通道的开放效应造成的水化学日动态。径流-排泄通道开放效应的识别,可为今后在岩溶水系统模型化研究中判断岩溶管道的承压状态提供水化学方面的依据。本研究对今后该区开展地表与地下水库联合调度、水资源合理利用研究提供了一定的水文地质基础。     

南海神狐海域水合物一维速度结构研究： 基于中—低饱和度水合物区的约束

高精度OBS探测作为目前研究水合物的常用技术手段,可以获取水合物矿体精细速度结构,在研究天然气水合物饱和度、水合物资源的预测与开发等方面具有重要指导意义。然而正演模拟OBS速度结构是繁琐漫长的过程,构建合理的初始模型是后续精细结构快速成像的重要前提。本研究基于全球18个已探明地震波速度的水合物区,分析了水合物矿体内纵波速度的共性特征和影响因素,拟合了水合物矿体带纵波速度与海水深度、沉积物厚度的经验公式。综合经验公式、OBS数据与多道地震剖面,建立了神狐水合物区横向均匀初始模型,并通过射线追踪与走时拟合模拟了神狐海域的一维纵波速度结构。结果表明,神狐水合物矿体带具有高纵波速度(1.83~1.92 km/s）,游离气层具有低P波速度（1.60~1.70 km/s）,此外,基于全球的水合物速度经验公式对神狐海域速度结构模拟具有重要参考意义,有望为获取神狐海域二维/三维精确速度结构提供可靠的初始模型,进而指导水合物精细勘察与资源评估。