复式河道滩地植物对水流紊动结构影响的试验研究

利用室内变坡水槽,精细模拟了复式河道滩地不同植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪(ADV)观测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了水质点三维相对紊动强度,分析了其变化特征,探讨了滩地不同种类植物对水流内部结构的影响。试验发现,滩地植物改变了复式河道水流内部结构,导致植物带内近床面处各个方向水流相对紊动强度明显减弱,横向因植物丛内阻力和流速变化引起的滩区壅水导致横比降增加,主槽相对紊动强度显著增强;植物淹没条件下水流相对紊动强度沿水深的分布明显存在转折点,此位置可以认为是滩地植物对水流影响的“第二边界”。     

生态空心块体水沙动力效应研究

生态空心块体是一种兼有调控水流与生态修复功能的工程结构物,在海堤、丁坝等近海工程中被广泛应用。通过室内水槽试验,设计多种来水来沙工况,研究生态空心块体与柔性植被共同影响下的水沙动力特性,重点探究生态空心块体内的水沙动力效应。结果表明:生态空心块体组成的坝体结构缓流效果显著,坝体内外侧水流流速分布差异明显,坝体内部的水流流速远小于外侧水流流速;生态空心块体内紊动强度、雷诺应力在空心块体上方出现拐点,空心块体内紊动强度、雷诺应力均小于外侧;近底层水流在受壁面阻水作用下产生回流,易出现小范围旋涡;由于生态空心块体内水流流速、紊动强度的减小,内部悬沙浓度由表至底逐渐增大;柔性植被的冠层部分对水流减速、促淤效果最为明显,柔性植被会减缓前后相邻侧空心块体的水流流速,增大悬沙浓度。     

空心块体水沙动力及泥沙淤积特性研究

空心块体具有良好的阻水和促淤功能,近年来被广泛用于生态修复工程。本文结合水槽试验及Flow-3D数值模拟,分析了开敞型和半封闭型空心块体的阻水效应和泥沙淤积特性。结果表明:空心块体的开孔率对内部水流流速、紊动强度起主导作用,开孔率较小的半开敞型空心块体减速、制紊效果更强;开敞型和半封闭型空心块体近底层悬沙浓度分别增大56%和75%,两者均有利于促进泥沙在块体内部淤积,近底层水流紊动越强,泥沙淤积形态差异越大;空心块体所营造的低流速、泥沙微淤、内外连通的水沙环境是大型底栖生物的生境需求,半封闭型空心块体内部的低紊动水流结构更有利于大型底栖生物的栖息、繁衍。     

不同湍流模式下钱塘江涌潮水流三维模拟

钱塘江涌潮具有动力作用强和流速变化快等特点。涌潮水流紊动复杂,流速的垂向分布和紊动强度息息相关。通过涌潮水流实测资料的分析可以发现,涌潮作用下流速垂向分布在底部和上层存在差异。为研究涌潮作用下流速垂向分布的特征,应用基于非结构网格下有限体积法模型FVCOM对钱塘江涌潮河段水流运动进行三维数值模拟。考虑到涌潮紊动作用复杂且对流速的垂向分布起着重要影响,采用不同的湍流模式对涌潮传播过程中水流的运动特征开展研究。通过与涌潮河段实测资料的验证,复演涌潮到达前后水流运动特征,给出涌潮水流湍动能的变化过程。研究成果有助于深入认识涌潮水流紊动特征和流速的分布规律,为涌潮作用下物质输运的研究提供基础。     

挡潮闸矩形孔口式鱼道紊流结构及放鱼试验研究

对挡潮闸枢纽中矩形中孔、底孔鱼道中紊流结构进行了较为系统的试验研究,并做了放鱼试验。选择了一种鱼类偏爱流速所对应的流量作为典型流量,考虑了不同的孔口位置(中孔和底孔),用声学多普勒测速仪(ADV)量测了测点的三维瞬时流速及流向,分析了矩形孔口鱼道的三维时均流速分布特征、断面最大流速沿程变化规律、流速矢量场、紊动强度分布及雷诺应力分布。此外,还通过放鱼试验,利用在鱼体植入T形标签和高速摄影机观察了过鱼对象对中孔、底孔的反应情况,分析了过鱼对象与矩形孔口鱼道紊流结构的关系。试验结果表明:水流经中孔形成三维紊动自由射流,经底孔形成三维壁面射流,中孔纵向流速呈高斯分布,而底孔纵向流速则近似为高斯分布,流速由孔口向两侧逐渐减小;中孔和底孔横向流速在位于孔口范围内的纵剖面上沿程减小,孔口之外则变化较小;中孔和底孔垂向流速分布特征表现为在铅垂方向上均存在旋涡;在中孔水平面和纵剖面上,纵向最大流速均沿程衰减;中孔和底孔情形孔口处紊动强度和雷诺应力比非孔口处大得多,而非孔口处不同水深平面上紊动强度和雷诺应力变化趋于平缓;过鱼对象喜爱在紊动强度分布的峰值区和雷诺应力较大变幅区溯游。     

黄河口潮滩泥沙絮凝研究

本文基于现场观测的絮团粒径、悬沙浓度及水动力数据,研究了黄河口南部潮滩泥沙絮凝特征。研究发现,黄河口潮滩絮团粒径在25.42～264.44 μm之间,平均为95.20 μm。水体紊动对黄河口潮滩絮凝的影响存在差异,紊动对絮凝促进作用的上限约为G_l=3.76 s?1。紊动强度低于G_l时,紊动促进泥沙絮凝,絮团粒径随紊动加强而增大;反之水体紊动对絮凝主要起抑制作用,絮团粒径随紊动强度增大而减小。悬沙浓度对黄河口潮滩泥沙絮凝起抑制作用,同等紊动条件下高悬沙浓度对应的絮团粒径更小。黄河口潮滩絮团有效密度与粒径呈现负相关关系,沉速主要受粒径影响。本研究补充了对弱潮河口潮滩泥沙絮凝特性的认识。     

不同刚度植物杆群对规则波传播及紊动特性影响研究

以不同刚度硅胶圆杆群为概化植物模型,测定其抗弯弹性模量,通过波浪水槽实验,研究规则波在不同刚度植物杆群内的流速分布、紊动特征及不同刚度杆群的消浪效果。实验结果表明,当波浪通过柔性杆群时,受其摆动的影响,流速周期变化从单峰型逐渐转变成双峰型,杆群刚度越小形成的二次波峰越明显;不同刚度杆群内水体紊动强度变化显示,杆群刚度越大,造成杆群内水体的紊动强度越大;随着杆群抗弯弹性模量的增大,其消浪系数也增大,消浪系数的增长与材料的抗弯弹性模量值非线性关系,而是在某一弹性模量范围内,对消浪系数的影响较为敏感。     

海州湾水流紊动强度和含沙量对沉降速度的影响研究

选取海州湾近岸潮流和含沙量实测资料，分析水体紊动强度与含沙量对近岸絮凝体沉降速度的影响，提出了新的沉降速度确定方法。研究表明：淤海州湾近岸泥沙沉降速率大部分在 0.05 ~ 2.50 mm/s 之间，潮周期内泥沙絮凝体的沉降速度 有明显变化。于含沙量较小时，泥沙絮凝体的沉降速度基本随含沙量的增加而增加；含沙量较大时，含沙量与沉降速度呈现出负相关，无论是大潮还是中潮，当含沙量达到 0.7 kg/m3左右时，絮团沉降速度最大，而随着含沙量的增大，絮团沉降速度开始减小。盂在涨落潮垂线平均流速最大时刻，紊动强度达到峰值，含沙量较低时，随着紊动强度增加，沉降速度也随之增加，大潮期间紊动强度对泥沙沉降速度的影响高于中潮。榆新的泥沙沉降速度计算公式不仅考虑了含沙量，还计入了紊动强度 G，大大提高了沉降速度计算值与实测值的相关性。     

悬对沙Mellor-Yamada海洋边界层模型计算结果的影响

为了分析海洋水体垂向水流紊动及紊动交换情况而采用了一维的海洋边界层模型(Mellor-Yamada)并利用数值实验的方法对悬沙、盐度、温度等数据进行分析。原模型未将悬沙考虑在内，本文试将它引入进去探讨由于它的存在对紊动混合特性的影响。2000年4月，Mellor将最初的模型引入了依赖于Richardson数的紊动动能耗散率。本文通过比较具有悬沙和不具有悬沙两种情况下的速度、温度和盐度垂向分布随时间的变化，分析讨论由于悬沙的存在所引发的密度层化对紊动混合作用的影响，并发现悬浮泥沙抑制了部分模拟时间的紊动混合作用。     

海底水平管线回流区水流特性研究

针对管线绕流剪切层区的水流特征,利用射流分析的类似方法,通过简化控制方程,从理论上探讨了剪切层区的时均速度分布规律。物理试验中采用ADV测速仪对回流区流场进行了测量,对各流区流速和紊动强度变化趋势进行了讨论,并将试验结果与理论推导进行对比,二者基本吻合,为进一步研究海底管线防护措施提供了理论依据。