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。     

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。     

沉水植被斑块尾流多尺度紊流结构研究

探究斑块尾流中多尺度紊流结构对理解植被群落影响下的泥沙输移规律和河床演化过程有着重要意义。通过室内水槽试验,分析不同高径比及植被体积分数影响下的斑块后水流特性,得到时均流速及雷诺应力分布规律;通过谱本征正交分解对其脉动场进行分析,探究不同尺度涡的空间模态及能量分布规律。研究结果表明：(1)冠层垂向剪切层内剪切强度及其最大量纲一剪切层垂向厚度随着植被体积分数增大而增大,随着高径比增大而减小。(2)斑块尾流中,大尺度涡旋对应频率集中在0.15～0.29 Hz,对应斯特劳哈尔数为0.16～0.32,垂向分布介于0.2～1.3倍植被高度,纵向分布介于2～6倍斑块直径,横向关于植被中心线呈现出非对称分布。(3)纵向出流流速及剪切层内紊动强度是影响稳定尾流区长度的重要因素。剪切层纵向输运速度随着纵向出流流速增大而增大,剪切层垂向扩散速度随着紊动强度的增大而增大。     

泥沙影响流速分布规律的试验研究

挟沙水流中泥沙颗粒的存在将影响水流的紊动结构,并进一步影响水流流速分布。采用超声流速仪MicroADV测量挟沙水流的时均流速沿垂线分布,分析了在不同水力条件、不同泥沙条件(包括泥沙浓度及颗粒粒径)下泥沙与水流相互作用对流速沿垂线分布的影响,在此基础上,考虑到现有流速分布公式在实际河道水流流速沿垂线分布中的应用,提出新的指数型流速分布公式形式;并根据实验资料,初步检验了该公式的精度,同时分析了指数型流速公式中系数k和指数m随泥沙浓度s、粒径d以及水力条件的变化规律。结果表明:系数k随泥沙浓度的增加而增大,同时水力条件以及泥沙颗粒粒径同样也影响着k的变化;而指数m随粒径d的增大而减小,随泥沙浓度s的增加而增大。     

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。     

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。     

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。     

含淹没植物河流水流紊动强度最大值及其影响因素

根据含淹没植物河流水流紊动强度与流速和流速分布的关系,建立紊动强度经验公式,并数学推导证明了紊动强度垂向分布最大值的存在。根据实验数据,该紊动强度最大值的大小及出现位置受植物和水流条件的影响:植物的存在增加水流阻力,植物排列密度改变紊动强度最大值的大小;植物叶片的摆动形成水流紊动的主要干扰源,植物/水深相对高度控制紊动强度最大值的出现位置;断面平均流速的变化改变水流的稳定性和植物冠层的高度,对紊动强度最大值的大小和出现位置均有一定影响。     

单向明渠流与波浪作用下植被对水沙运动影响研究综述

作为河、湖以及滨海湿地生态系统中必不可少的组成部分,水生植被具有重要的生态服务价值,且许多生态服务价值是通过改变水体动力条件实现的。含植被水流研究不仅可用于科学阐明水生植被的生态环境效应,还能指导河湖生态系统修复及污染治理的工程实践。本文考虑单向明渠流与波浪2种水动力环境,对国内外有关水生植被对水流结构以及泥沙运动影响研究的主要成果进行梳理。单向明渠流条件下,植被对水动力的影响研究主要集中于植被对水流阻力的影响以及冠层内水体的紊动结构与紊动尺度特征;波浪条件下,植被对波高与波浪流速的减弱作用以及冠层内水体的时均与紊动结构特征是研究重点。受水动力条件控制,植被影响下的泥沙运动特征也受到广泛关注,且研究焦点为单向明渠流条件下水生植被对泥沙起动与输移的影响以及波浪条件下植被对床底泥沙再悬浮的影响。     

淹没植物明渠床面冲淤及其对水流运动的影响

植物的存在改变了河流水动力特性,造成独特的床面冲淤态势。利用实验室水槽模拟含淹没植物的河道,对床面形态和紊流统计特性参数进行测量,研究不同类型紊流作用下的床面冲淤特征以及床面起伏对流动的影响。结果表明:床面剪切紊流条件下,床面形态为马蹄坑-沙沟/沙脊与沙波复合分布,床面变形加剧了流速沿水深不均匀分布并促进水流动量交换;在自由剪切混合层紊流条件下,床面形态为植物根部马蹄形冲坑及其后方沙沟、沙脊交错分布,床面变形对流动的影响并不显著;“类二重紊流”条件下,床面形态同样表现为马蹄坑-沙沟/沙脊-沙波复合,床面变形促进植物层内部的水流动量交换、抑制紊动清扫,抑制植物层外部的动量交换、促进紊动喷射。     

波流共同作用下流速垂线分布及其影响因素分析

大量波流相互作用的实验表明,当波浪顺流传播时,平均水面附近的流速减小,而当波浪逆流传播时,平均水面附近的流速增加.为了从理论上解释这种现象,从垂向二维Navier-Stokes方程出发,推导出波浪、潮流共同作用下的水流控制方程;采用微幅波理论简化控制方程,并引入Grant-Madsen波流边界层模型,得到波流共同作用下的紊动切应力及流速垂线分布表达式.通过和实验结果及数值结果的对比,结果预测值和实测值较为吻合,表明公式能反映波高变化及涡粘系数共同对流速垂线分布的影响,且简单实用.利用该公式分析了波浪顺流、逆流流速变化的原因.     

植被淹没程度对坡面流水动力学特性影响

为深入揭示植被覆盖条件下坡面水流结构的内在规律,采用水槽模拟试验,系统研究了植被处于淹没及非淹没工况下淹没度对坡面流水动力学特性的影响。研究结果表明:坡度一定条件下,平均流速和雷诺数与淹没度均成正相关关系;柔性植被覆盖下,水流流型由缓流区过渡到急流区,综合阻力系数随淹没度的增加而减小,刚性植被覆盖条件下水流流型均处于缓流区;综合阻力系数呈单驼峰形式变化;峰值处淹没度为0.9,淹没度对相对摩阻流速的影响与其对阻力系数呈相反变化趋势,基于淹没度的阻力计算经验公式决定系数均达到0.97以上;由于淹没度对各水动力学参数的影响受制于坡度,在坡面水土保持中应根据山区坡度和水深选择适当的植被高度。     

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。     

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。     

弯道水流对下游回水响应特征试验研究

弯道水面横比降及断面环流是弯道水流的显著特性。通过U形弯道水流壅水试验,对弯道水面横向比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速沿程的变化进行了试验研究。结果显示,随着下游回水的抬高,弯道水面横比降、横向流速分布、环流强度、紊动能及纵向流速将发生明显的改变。为深入探讨下游回水对弯道水流结构的影响提供了科学依据。     

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。     

冰盖下水流紊动特性试验研究

河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明：完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

振荡流底层悬沙运动的数值研究

建立了平底振荡流底层立面二维水沙数值模型,利用Smagrionsky(SGS)格子涡模型封闭二维Navier Storkes方程水流运动方程组,控制方程采用SMAC法求解。该模型能较精确地模拟振荡流底层水流流动特性,以及含沙量沿垂线分布和随相位变化的情况,且与水槽实验的实测资料基本吻合。