规则波作用下垂直圆管负浮力射流的数值模拟

高密度盐水排放是海水淡化领域一个复杂和常见的物理现象。为研究波浪作用下盐水射流的水动力特性,建立了规则波作用下垂直圆管负浮力射流三维水动力数学模型。利用试验数据对数值计算结果进行验证,两者吻合较好。基于数值计算结果,分析规则波作用下垂直圆管负浮力射流流体扩散特征,研究规则波对负浮力射流三维时均速度以及瞬时浓度的影响。结果发现:入射波波高和周期对射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减指数影响不大,而对衰减系数影响较大;随着波高或波周期的增加,射流特征速度半宽增加,射流中轴上量纲一平均垂向速度的衰减系数减小,有助于射流流体在环境水体中的扩散。另外,建立了考虑浮力效应的波-射流动量比影响的射流中轴上量纲一平均速度衰减系数、平均特征半宽公式,可以为相关实际工程提供一定的参考。     

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。     

台山核电站边坡爆破振动监测及数值模拟研究

台山核电站场平一期边坡的稳定性直接关系到电站的顺利建设及核电站运营期间的安全。通过现场爆破振动监测,分析了爆破开挖时边坡的振动速度衰减规律, 发现爆区上方马道内侧质点振动速度随高程增加存在放大效应,并且这种放大效应在水平径向比垂直向更为显著;另外,在爆区上方第1级马道内侧,质点垂直向振动速度一般比水平径向振动速度大,平均为其1.5倍左右,而后随着应力波向坡体传播,垂直向速度迅速衰减,而水平径向速度衰减相对较慢,到第3级马道内侧,质点水平径向速度已和垂直向持平或略大。同时,结合三维离散元数值软件(3DEC)进行数值模拟,对边坡在爆破荷载作用下质点振动速度、位移以及塑性区状态进行分析,并与现场监测结果进行比较。结果表明,数值计算值与实测值误差在15%以内;在爆破荷载作用下边坡各级马道外侧顶点产生永久位移,但均较小,且趋于稳定;塑性区仅限于爆区周围,边坡整体是稳定的     

用VOF方法模拟静止浅水环境中的垂向紊动射流

以k-ε紊流模型为基础,针对浅水环境垂向射流的水面会有明显突起情况,采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由面,建立了适合浅水环境垂向平面紊动射流的二维数学模型.对不同入射速度、水深、入射口宽度组合进行了大量的数值模拟实验,对整个流场的分布作了分析,发现自由面的分布特点和速度矢量场的分布特点相对应;中轴线附近的自由面隆起具有自相似性,文中给出了拟合表达式;由于水面的阻滞,中轴线上垂向速度的衰减较自由射流快,衰减规律随水深和射流宽度而异.     

射流泵流场的PIV测量

利用粒子图像速度场仪(PIV)对射流泵渐缩锥形入口、等径直管内有限空间水射流进行测量。该射流泵喉管面积与喷嘴面积之比为4.75,基于射流泵喷嘴直径D和喷嘴出口流速计算的雷诺数为3.68×105。通过流量比在0.20～0.80之间的变化来研究流量比对流场的影响。获得了射流泵对称面流场的速度矢量、轴心速度分布和轴向速度等值线图。结果表明:当射流泵的面积比确定后,射流泵内有限空间射流结构只与射流泵的流量比有关,流量比愈小,其轴心速度衰减得愈快,高速射流区愈短。测量结果为射流泵理论研究和优化设计提供可靠依据。     

浅水环境中垂向圆形纯射流的试验研究

对静止均匀浅水水域中的铅垂圆形单孔射流进行了试验研究,试验是在实验室的自制恒定水流循环系统中进行的。得到了水面的隆起高度与射流出口单位能量和相对水深的函数关系;验证了隆起高度分布具有自相似性,并给出其统一表达式;借助于三维测速仪,得到了射流流速的横断面分布、射流中线流速的衰减规律和流场的流函数等值线。     

射流冲刷底泥起动输移规律及机理

水下高速流体射流冲沙是清淤作业的必要手段，如何有效提高射流造浆效率对河(航)道清淤和水库库容修复等工程具有重要价值。采用射流冲刷底泥起动输移试验与高速射流喷头流场数值模拟手段，研究不同水力要素下射流对底床的冲刷效果，分析射流流速分布及衰减规律，探明高速射流底泥冲刷机理。研究结果表明：射流造浆过程中存在最优冲沙距离，使得造浆速率及浑水体浓度增长速度最快；射流中线剖面上横断面射流时均速度分布、最大速度衰减规律具有相似性，不同射流流速下射流初步发展区的射流速度半宽增长率相同；射流冲刷效率与射流发展中的阻力损失和到达床面时的能量损失直接相关，确定合理的射流喷头布置高度有利于提高造浆效率。研究成果对射流造浆能力与速率的提升乃至清淤设备的升级改造提供了有力支撑。     

自进式直旋混合射流钻头结构优化与钻孔能力分析

自进式射流钻头作为水力喷射径向钻井技术开采煤系气的核心部件,对钻井效率有决定性影响。为获取直旋混合射流钻头结构的最优参数,采用Fluent数值模拟与室内钻进试验相结合的办法,分析不同钻头结构参数下三维流场的速度特性,给出优化准则,并通过钻进试验加以验证,得到钻头的最优参数:中心孔孔径1.2 mm,叶轮槽槽宽0.7 mm,叶轮长度4.5 mm,叶轮径向长度3.5 mm,倾角45°,混合腔腔长6 mm。并通过理论分析解释了不同参数对钻头钻进速度产生变化的原因,主要是通过影响直旋混合射流中直射流与旋转射流的通量,进而引起射流三维的变化。采用灰色关联分析法得出各参数结构对钻进位移的敏感性系数由高到低依次为:中心孔孔径、叶轮槽宽、叶轮径向长度、混合腔腔长、叶轮倾角、叶轮长度。室内钻进试验结果表明:优化后的射流钻头具有更高的钻进效率,在关联分析中对钻进效率影响最大的是直射流与旋转射流通量,且直旋通量比在0.54时,射流能量分配较合理。研究成果对径向钻井煤层气、天然气开采中钻头的设计与结构优化具有指导意义。      

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。     

同向圆射流混合特性实验研究

利用声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimetry,ADV)自动测速系统和平面激光诱导荧光(Plane Laser Induced Florescence,PLIF)系统对同向圆射流的速度场和浓度场进行了系统的研究,并与前人的工作进行了比较和讨论。时均特性测量结果表明,射流主体段下游各断面的速度和浓度横向分布是自相似的,且近似可用高斯分布来表示;随着射流向下游传播,射流中心流速逐渐衰减,在强射流区和弱射流区遵循不同的规律;紊动特性测量结果表明,下游各断面的紊动强度横向分布是自相似的。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Laboratory sustained turbidity currents form elongate ridges at channel mouths

The turbulent flow structure, suspended sediment dynamics and deposits of experimental sustained turbidity currents exiting a channel across a break in slope into a wide tank are documented. The data shed light on the flow evolution and deposit geometry of analogous natural channel‐fed submarine fans. Flows generated in a 0·3 m wide, sloping (0°, 6°, 9° or 20°) channel crossed an angular slope break and spread onto a horizontal tank floor. Flow development comprised: (i) channelized phase (unsteady channel flow developing into steady channel flow); (ii) initial lateral expansion phase (unsteady‐spreading wall jet phase); (iii) constant lateral expansion phase (steady‐spreading wall jet phase); and (iv) rapid waning phase. Phases (i) and (iv) are similar to laterally constrained turbidity currents, but phases (ii) and (iii) are considerably different from such two‐dimensional currents. Steeper channel slopes produced greater flow velocities and turbulence intensities, but these effects diminished markedly with distance from the channel mouth. Flow velocity vectors in the tank had similar patterns for all channel slopes, with a central core of faster velocity and narrow vector dispersion and slower flow with larger dispersion at the jet margins. Suspended sediment concentrations were higher within flow heads and dense basal layers in flow bodies. Time‐averaged acoustic backscatter data showed vertical concentration gradients, confirmed by siphon samples. The deposits comprised a thick central ridge, of similar order width to the channel mouth, with abrupt margins and a surrounding, very thin, fan‐like sheet. The ridge was coarser grained and better sorted than the original sediment, with grain‐size fining downstream, particularly over the fan‐like sheet. The formation of a central ridge suggests that, in the tank, vertical turbulent momentum exchange is more significant for sediment dynamics than spanwise momentum exchange due to lateral expansion. The streamwise elongate geometry of the ridge contrasts with conventional fan‐like geometry found with surge‐type turbidity flows, a result that has widespread stratigraphic and economic implications.     

Sediment suspension dynamics and a new criterion for the maintenance of turbulent suspensions

The vertical component of the turbulent flow acceleration term, , is used to determine the net positive vertical force that may support a suspended sediment load. A dimensionless criterion, Λ, is proposed for the maintenance of suspension, defined as the ratio of the maximum vertical turbulent stress to immersed weight of the suspended load above a unit bed area. In order that a suspension be maintained: where v ′ is instantaneous vertical turbulent velocity, σ and ρ are solid and fluid densities, respectively and m is the suspended load dry mass. The Λ criterion is dynamic, being a ratio of stresses and is analogous in this respect to Shields dimensionless stress criterion, θ, for the initiation of bedload motion. The new criterion is successful in predicting the maintenance of steady-state suspended sediment transport in open channel shear flow and deposition from non-uniform particulate density flows of wall jet type.     

苦草对水流结构的影响研究

为研究沉水植被对水流结构的影响,以苦草为对象,利用实验室水槽实验研究了含淹没水生植被水流时均流速、雷诺应力及紊动能的垂向分布特征。受苦草冠层的影响,时均流速在冠顶以上呈对数分布,且随着流量的增加,冠层倾伏高度降低,对数剖面愈加明显;冠层内部,由于冠层阻流面积在垂向分布上的差异,冠层内时均流速出现逆梯度分布,且在床面附近出现局部流速最大值。雷诺应力在冠顶附近达到最大值,并向水面与床底方向逐渐减小;受逆流速梯度的影响,冠层内部雷诺应力出现负值以及局部最大值。雷诺应力产生的剪切紊动使得紊动能在冠顶处最大,并向水面与床底进行垂向传输;受紊动传输距离的限制,冠层底部以叶片后产生的尾流紊动为主,紊动能较小。