明渠湍流涡运动尺度分布特性

为了解明渠湍流涡运动尺度沿水深的分布特征,使用高精度粒子图像测速法水槽试验系统测量充分发展的明渠湍流,利用改进后的功率谱分析方法,对明渠湍流涡运动尺度沿水深分布、上升流、下扫流和平均涡量等进行了分析。结果表明:明渠湍流涡运动尺度大小沿水深增加呈先增大后减小;沿水深增加下扫流比上升流更容易发生;各自水深的顺向涡涡量大于逆向涡涡量,在近壁区平均涡量最大;明渠湍流近壁区产生涡量大、尺度小的涡结构,沿水深增加,涡尺度发展变大,但受水面区下扫流抑制,涡尺度又变小。     

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。     

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。     

三峡库区黄花城河段环流结构与涡尺度特征初探

弯道水流结构在天然河流形态演变过程中起着重要作用,为进一步深化对弯道环流结构与紊动特性的认识,以三峡库区黄花城河段具有的连续弯道为研究对象,采用声学多普勒剖面流速仪(ADCP)开展原型三维瞬时速度测量,初步分析弯道环流结构与湍流结构尺度分布特性。研究结果表明:三峡库区黄花城河段存在河道层面宏观尺度的弯道环流结构;受局部壅水以及河床地形影响,在测量垂线上表现为全水深环流结构或双环流结构特征;超大尺度湍流结构仍然存在于库区连续弯道河流中,但尺度以及分布受弯道环流结构影响较大。     

水生植物对水沙运动影响的三维湍流模型

水生植物的存在改变了明渠内水流的流动结构,也影响着泥沙的输运。建立三维湍流模型,在水流控制方程中加入植被阻力项和植被密度项来考虑刚性植物对水动力特性和泥沙输运特性的影响。应用该三维数值模型计算了矩形水槽内淹没植被对水流水平时均流速垂向分布的影响、复式明渠边滩栽种挺水植被对水流深度、平均流速分布以及植被岛周围泥沙床面的冲淤变形的影响。数值计算结果与实测结果吻合良好,表明本模型可以有效地描述刚性水生植物对水流泥沙运动的影响。     

强弯条件下分层流运动特性试验研究

采用物理模型试验对强弯明渠剪切分层流的运动特征机理进行了研究,试验中模型特别制作了直段、90°、180°强弯段3套试验水槽,模型配有上、下层两套不同的进水系统,以产生上下两层不同的流速和温度,形成剪切分层流,试验进行了直段、90°、180°强弯段多种不同流速工况组合,试验工况流态也从存在明显分层逐步过渡到强掺混状态。采用ADV、HR 2红外热像仪、电子式点温计等量测手段,较为系统地获得了沿程不同断面的流速、温度分布,以及湍流动能、雷诺应力等反映运动机制的物理量,揭示了在强弯曲条件下分层流运动沿程特征分布和断面环流结构,并与直道情形进行了比较。     

横流环境湍射流涡动力学特性数值模拟

采用三维湍流模型及其混合有限分析解法进行横流中湍射流这一复杂三维流动的研究。在利用实验数据对模型及其计算方法验证的基础上,对多种喷口形式和流速比工况下的流速场和涡量场进行了数值计算,模拟得到了其旋涡结构发展演化特性。在射流初始阶段,横流在射流背流面形成绕流分离旋涡,其结构与射流喷口形式和流速比有关。射流主轴沿流向布置的窄缝射流产生的旋涡最为特殊和复杂,在喷口侧面存在4个分离点,从而形成4个旋涡。在射流远区,流动主要由反向旋转涡对所控制,并诱导出二次涡对。分析得出了射流喷口形式及流速比对反向旋转涡对涡核位置和旋转强度的影响。     

淹没植物条件下明渠KH涡的垂向几何尺度和频率

含淹没植物明渠中存在的Kelvin-Helmholtz（KH）涡,对水流能量交换和物质输移具有直接的影响。基于淹没刚性植物条件下的水槽实验,利用粒子图像测速技术（PIV）得到瞬时流速场和涡量场,定量刻画KH涡的垂向几何尺度（上下边界和垂向作用范围）,结合三维声学多普勒流速仪（ADV）测量的流速时间序列和小波变换方法,分析KH涡的频率,研究植物淹没度对KH涡上下边界位置、作用范围和频率的影响。研究发现:本实验确定的KH涡上、下边界与根据能量分布计算得到的混合层上、下边界基本一致;在本实验条件下,KH涡上边界为0.7~0.8倍水深,下边界在植物密度一定时围绕一常数波动,KH涡的频率在0.14~0.20 Hz之间;随着淹没度的增大,KH涡的上边界升高,下边界变化不明显,作用范围和频率增大。     

悬移质颗粒运动的脉动强度

应用图象处理技术,量测了直径d=0.1～1.5mm的塑料颗粒和d=0.1～0.3mm的玻璃球颗粒在明槽恒定均匀水流中运动的脉动强度.试验发现:(1)靠近床面处,粗颗粒的脉动强度大于细颗粒的脉动强度,在靠近水面处,规律则相反;(2)细颗粒的脉动强度只是相对水深y/h的函数,而粒径较大颗粒的脉动强度和y/h及摩阻流速都有关;(3)重颗粒的脉动强度小于相同粒径的轻质颗粒的脉动强度.     

福建沿海地区场地土对地脉动动力响应的研究

以福建省泉州市区和福州市区场地土的动力特性和地脉动频谱结构为研究对象,通过对这两个地区的地脉动信号的频谱分析获得频谱结构特征,由此来深入研究该地区岩土的动力特性及场地土层的地脉动动力响应。通过场地脉动的测试,利用快速傅立叶变换(FFT)方法对观测到的地脉动信号进行频谱分析。根据实际观测资料研究了地脉动频谱结构特征及场地土对地脉动的频率响应的特性。研究不同地基土层构造与地脉动的频率依赖以及频率选择作用。结果表明,地脉动的频谱特性与场地覆盖层厚度和地基土刚度的变化密切相关;覆盖层厚度是影响地脉动卓越周期的重要原因,其中软土层对地脉动的卓越周期有一定的放大作用。     

风浪作用下水生植物对水流结构的影响——以太湖中两种典型沉水植物为例

为研究风浪作用下水生植物对水流结构的影响,选取太湖中两种典型沉水植物(苦草与马来眼子菜)为研究对象,分别对苦草植物斑块与马来眼子菜植物斑块内外水体的瞬时流速进行野外现场测量,利用瞬时流速的能量谱分布将波浪流速与紊动流速分离,分别分析水生植物对时均流速、波浪流速以及紊动能的影响。风浪影响下,水体中存在流向与测量时近水面处盛行风向一致的水流;波浪流速以垂向流速为主,且波浪流速自水面向床底逐渐减小;紊动能在水面处达到最大值,并向床底方向逐渐减小。与无植被条件相比,苦草与马来眼子菜的存在减小了时均流速、波浪流速以及紊动能。两种植物形态上的差异,导致其对水流结构的影响不同:苦草叶片阻流面积在冠层中部达到最大,使得时均流速与波浪流速在苦草中部位置的减小程度最大;马来眼子菜叶片主要集中于冠层顶部(水面附近),其对时均流速以及波浪流速的减小作用在水面处达到最大。     

风浪作用下水生植物对水流结构的影响——以太湖中两种典型沉水植物为例

为研究风浪作用下水生植物对水流结构的影响，选取太湖中两种典型沉水植物（苦草与马来眼子菜）为研究对象，分别对苦草植物斑块与马来眼子菜植物斑块内外水体的瞬时流速进行野外现场测量，利用瞬时流速的能量谱分布将波浪流速与紊动流速分离，分别分析水生植物对时均流速、波浪流速以及紊动能的影响。风浪影响下，水体中存在流向与测量时近水面处盛行风向一致的水流；波浪流速以垂向流速为主，且波浪流速自水面向床底逐渐减小；紊动能在水面处达到最大值，并向床底方向逐渐减小。与无植被条件相比，苦草与马来眼子菜的存在减小了时均流速、波浪流速以及紊动能。两种植物形态上的差异，导致其对水流结构的影响不同：苦草叶片阻流面积在冠层中部达到最大，使得时均流速与波浪流速在苦草中部位置的减小程度最大；马来眼子菜叶片主要集中于冠层顶部（水面附近），其对时均流速以及波浪流速的减小作用在水面处达到最大。     

明渠紊流中涡结构的运动规律

明渠紊流中随水流迁移的涡结构在传质过程中具有重要作用。为观测涡结构在整个生存期内的运动过程,将两套高频粒子图像测速系统的测量范围沿水流方向拼接,实现流场的大范围测量。将上述方法用于测量摩阻雷诺数为490~870的明渠紊流的纵垂面流场,并结合涡结构跟踪算法,得到了涡的生存时间、运动速度、位移及强度变化等参数。分析表明,涡结构的水平运动与水流同步,但整体有向水面抬升的趋势,在低雷诺数条件下,最大生存时间约10倍涡周转时间,最大垂向位移约0.4倍水深;随着雷诺数的增大,涡结构的量纲一运动速度未发生明显变化,但极限强度和强度变化速率均增大,且极限强度的增加幅度相对较小,使得涡结构的生存时间缩短,纵、垂向位移相应减小。研究结果揭示了生存时间是影响涡结构运动规律的关键变量,初步得到了涡结构运动规律随水流条件的变化趋势。     

有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量,统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明:沿射流方向具有3个明显不同的衰减区,依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内,3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关;在垂直挡板影响下,速度半宽值扩展率明显加快,发展更为充分;在水深H~1.75H范围内,射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043,同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感,其扩展率由0.205增至0.270;最大速度衰减对水深的改变并不敏感,且在Ⅱ区加速衰减,衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较,Ⅱ区与之相似,将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。     

Potential hazard analysis from the viewpoint of flow measurement in large open-channel junctions

A robust and reliable risk assessment procedure for hydrological hazards deserves attention. The transport of mixed material in the types of hazard, such as flash floods and debris flows, plays an important role and should be taken into consideration. At present, however, the mixed material transport phenomenon is not systematically and simply included in the procedures for the elaboration of hazard analysis. The consequence is the risk of losing prediction accuracy and of underestimating hazard impacts. The phenomenon of open-channel junction flow such as in irrigation ditches and at wastewater treatment facilities is an important aspect of hydrological engineering. Extensive experimental studies of the flow characteristics have been conducted. In this study, an Acoustic Doppler Velocimeter is used to monitor the flow in large open-channel junctions at the Chihtan purification plant in Taipei. The condition of the experiment is made up of different discharge. The result of the measurement data shows that the mean velocity profile, aspect ratio, measured vertical line location and the ratio of the distance of the vertical line maximum velocity from the bed to water depth. An artificial neural network (ANN) is used to simulate the mean velocity profiles in this study. The results show that the ANN can accurately and reliably simulate the mean velocity profiles. The result is believed to provide hints for the consideration of the effects, induced by mixed material transport, in the elaboration of hazard analysis.     

黄土震陷性深度特征的试验研究

黄土震陷是地震发生时黄土地区发生的一种灾害。以典型马兰黄土（Q3）作为研究对象,对5组不同深度的原状黄土试样进行室内动三轴震陷试验,研究了该场地黄土震陷性随深度的变化特征。研究结果表明,（1）在天然含水率或是增湿、减湿情况下,黄土震陷深度曲线随动应力的增加均经历了一个从平稳、快速、再收敛至最大震陷深度的发展过程;（2）黄土震陷深度曲线的发展阶段动应力区间不尽相同,随着含水率的增加,黄土震陷快速发展期的动应力区间在变窄,最小动应力值变小,含水率20%条件下比5%最小动应力值可降低30%;（3）典型马兰黄土存在一个最大震陷深度,其最大震陷深度不受动应力、含水率影响,含水率仅能够降低达到最大震陷深度时最小动应力,加速黄土震陷深度的发展进程。在动应力不断增加的情况下,最终的黄土震陷深度曲线收敛于最大震陷深度,本次实验黄土场地的最大震陷深度约为15.5 m。     

Crosshole seismic tomography and borehole logging for engineering site characterization in Sikeston, MO, USA

This paper presents a geophysical investigation performed in the median separating the east and west bound lanes of U.S. Highway 60, approximately 15 km west from the town of Sikeston, MO, USA. Two boreholes, drilled at depth of 45 m, approximately located 6 m from the Wahite Ditch Bridge in U.S. Highway 60, were used to carry out the geophysical tests. The objective of the survey was to obtain the density distribution of soil materials and high-resolution compressional and shear wave velocities of the shallow subsurface for computation of elastic engineering properties of the unconsolidated material interposed between the two investigated boreholes.The studied site is located in the New Madrid Seismic Zone (NMSZ), one of the major seismic source zones in the eastern United States. Although no major seismic events have occurred in the New Madrid area since the catastrophic earthquakes of 1811–1812, more intensive studies in this area are required to better understand the local soil effects and the liquefaction potential of unconsolidated earth materials on strong ground motion.Joint interpretation of borehole logs and velocity images obtained by P- and S-wave traveltime inversions outlined shallow anomalies, which were interpreted as caused by variation in relative porosity and compactness of saturated unconsolidated soil materials. In the interval between 17 and 19 m of depth, a velocity anomaly with distinct characteristics is recognized. Analysis of traveltimes of P-wave energy propagated from common source-receiver depth positions at that depth interval delineated a low velocity zone (lower than estimated P-wave velocity in water) in which propagated S-wave energy was negligible. Analysis of porosity logs did not outline any porosity anomaly for that region. The anomaly is interpreted as caused by the presence of a gas-bearing zone extending for 1.5 m (+0.76 m from the top and the bottom of the depth interval), through which propagation of shear energy was almost prevented and compressional energy traveled a very low speed. Relative lower values of shear modulus were computed for the gas-bearing zone; the same depth interval also exhibited relative lower values of bulk modulus, relative higher values of compressibility and relative high porosity. However, the low velocity anomaly is not caused by relative increased porosity but rather to replacement of water by gas in the pore volumes of this zone.The presence of a shallow thin gas-bearing zone is interpreted as hazardous in the occurrence of strong motion in the New Madrid Seismic Zone. Shallow water table, as detected by seismic and log measurements in the area, increases the risk of liquefaction of the sampled soil under strong ground motions.     

高速远程滑坡运动堆积过程中的能量传递机制

高速远程滑坡往往引发灾难性事故,开展运动堆积过程定量研究,对于探究滑坡发生机理及预测致灾范围具有重要意义.基于室内物理模型试验,通过PIV技术分析高速摄像机在试验过程中拍摄的照片,获取了运动过程中滑体颗粒的水平速度、竖直速度与位移等运动参数.从滑体颗粒群和不同位置处单体颗粒角度,分析高速远程滑坡的运动演化规律.结果显示:（1）滑体颗粒前端出现高速区,该高速区随着滑坡停止具有一定的保持性.颗粒间存在明显的碰撞现象;（2）从不同位置单体颗粒来看,前部颗粒位移量最大,速度波动频繁,碰撞频次最高,能量多次补充;中部颗粒位移量其次,速度有波动过程,但不及前部频繁;后部颗粒位移量最小,速度基本呈递降趋势,能量逐渐减小.结合重庆鸡尾山滑坡以及Black Rapids Glacier滑坡实例分析,揭示了高速远程滑坡运动堆积过程中滑体颗粒间存在碰撞及能量传递现象,从而进一步探究高速远程滑坡形成机制,在监测预防、灾害治理等方面具有现实指导意义.      

气云区全波形反演约束Q场建模技术

复杂的浅层气云使地下波场严重扭曲,地震剖面呈现模糊带,影响工区的构造认识和储层描述。品质因子Q是地震波在地层中的衰减属性,Q深度偏移是考虑了地层吸收衰减的偏移成像技术,是提高气云区成像质量的有效方法;但是当浅层气云和深层底辟构造复杂发育时,常规Q场建模的精度往往不能满足Q偏移精细建模的需求。为解决以上难题,本文创新性地提出了全波形反演（full wave inversion, FWI）约束Q场建模技术思路：基于常规网格层析建立初始速度模型,利用FWI技术精细刻画速度异常进而约束Q模型的建立。这一“常规层析-FWI-Q反演”迭代的技术思路在白云凹陷Q深度偏移成像中得到成功应用,不仅提高了气云模糊区的成像质量,而且避免了油气勘探认识的多解性,证明了FWI约束Q场建模和Q深度偏移技术方法对改善复杂气云发育区的成像有效性。     

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性,以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象,基于室内概化模型试验,采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示:宽窄相间水槽中,扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度,最大值位于0.2倍水深处;扩散段两侧坡脚处紊动能最大;侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内,中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处;扩散段内水流紊乱,两侧出现旋涡和涡脱,易造成侧壁侵蚀加强,引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性,可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。