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。     

弯道出流横向流速的衰减长度

为研究弯道出流横向流速的衰减规律,通过量纲分析建立了量纲一衰减长度的经验公式,采用系列数值试验的结果率定了该经验公式,分析了各因素影响程度以及衰减长度分布规律,并与理论公式进行了对比。试验发现雷诺数Re和弗劳德数Fr对衰减长度影响极小;衰减长度,横向上凹岸区最大,中间次之,凸岸区最小;垂向上近底区最大,近水面区次之,最小值位于中间。典型理论公式计算的衰减长度的垂向分布,与试验结果定性一致,但由于忽略横比降的影响,导致其在近底区偏小。结果表明:该经验公式考虑因素较理论公式更为全面;衰减长度在不同区域不同;采用相似模型研究弯道出流的环流衰减长度时,需要保证阻力相似,但一定条件下,可以放弃Fr和Re相似。     

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。     

卸压区不同钻孔长度抽采条件下瓦斯运移特性试验

研究抽采过程中瓦斯运移特性有助于了解抽采气体来源、不同位置对抽采效果的贡献及抽采降压规律,为合理确定抽采时间、设计抽采位置和钻孔长度等提供依据。利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了卸压区不同钻孔长度条件下瓦斯抽采的物理模拟试验,分析了抽采过程中煤层瓦斯运移相对速度和方向特征。研究结果表明：抽采前期和钻孔周围区域分别是抽采量主要贡献时期和区域,瓦斯压力梯度大,流动快。卸压区瓦斯流动相对速度最快,应力集中区使得瓦斯相对流动速度衰减加速,且对原始区的瓦斯流动形成一道屏障,使其相对流动速度趋于0。随着抽采时间的增加,瓦斯相对流动速度逐渐衰减,对于瓦斯运移方向而言,抽采一旦开始便在煤层中形成了较为固定的运移通道,但在抽采后期和钻孔深部区域,由于瓦斯压力梯度小,流动缓慢,运移方向的不稳定性增强。而随着钻孔长度增加,卸压区内瓦斯相对流动速度表现出增大的趋势,因此,适当增大卸压区钻孔长度将有利于现场瓦斯开采。     

高雷诺数顶盖驱动方腔流实验

为得到高雷诺数(1×105~1×106)条件下顶盖驱动方腔水流流场和速度分布,设计了边长为0.2 m和0.5 m的立方腔,并利用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)对方腔流流场进行测量,分析方腔流流场特性和边壁对流场影响规律。结果表明:雷诺数达到5×105时方腔流中主涡旋发生变形,雷诺数从5×105增大到1×106过程中,中间的初级涡旋(Primary eddy,PE)继续变形,并分裂成两个涡旋;随着雷诺数的增大,顺流次级涡旋(Downstream Secondary Eddy Region,DSE)区域面积缩小,雷诺数为5×105时DSE区域可看到成型的涡旋,当雷诺数为1×106时,DSE区域继续缩小,在同样条件下看不到成型的涡旋;雷诺数增大的过程中各边壁的边界层变薄,边壁对方腔流流场特性影响明显。     

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型（MT模型）。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。     

明渠恒定紊流的总流控制方程与能量损失特性

为进一步深化对明渠总流控制方程的认识,探究总流能量损失的构成与分布特点,通过理论分析,在黏性流体力学理论的框架下构建了描述明渠恒定紊流总体特性的总流积分模型与总流微分模型的控制方程,其模型参数能直接通过流动统计特征量在过流断面上的分布来获取,由此实现明渠流的流场特性描述与总流描述的统一,并得到了总流能量损失的显示表达式。同时指出,总流能量损失由黏性耗散与维持紊动两部分构成,在矩形明渠恒定均匀流紊流的分类能量损失构成中,壁面上以黏性耗散部分为主,维持紊动部分的能量损失密度随着离开壁面距离的增加而快速增加,且随着雷诺数的增大,其增加速度也越快。     

明渠恒定紊流的总流控制方程与能量损失特性

为进一步深化对明渠总流控制方程的认识,探究总流能量损失的构成与分布特点,通过理论分析,在黏性流体力学理论的框架下构建了描述明渠恒定紊流总体特性的总流积分模型与总流微分模型的控制方程,其模型参数能直接通过流动统计特征量在过流断面上的分布来获取,由此实现明渠流的流场特性描述与总流描述的统一,并得到了总流能量损失的显示表达式。同时指出,总流能量损失由黏性耗散与维持紊动两部分构成,在矩形明渠恒定均匀流紊流的分类能量损失构成中,壁面上以黏性耗散部分为主,维持紊动部分的能量损失密度随着离开壁面距离的增加而快速增加,且随着雷诺数的增大,其增加速度也越快。     

浅水非线性波作用下沙纹床面底层流动特性试验研究

通过水槽试验研究浅水非线性波作用下沙纹床面底层流动特性,利用CCD图像技术观测分析非对称沙纹的形成和演化规律。利用声学多普勒测速仪(ADV)测量非对称沙纹底床上的流场,得到了不同波高、周期、水深条件下的沙纹峰顶和谷底断面的瞬时速度。试验结果分析表明,浅水非线性波作用下床面上形成非对称沙纹,其近底流速具有较强紊动特性,随着距床面距离的增大紊动强度逐渐减弱。在水流方向改变时,沙纹背部具有明显漩涡运动。沙纹背后形成的漩涡能起到维持沙纹的作用。浅水非线性波作用下,沙纹的形成原因主要是床面泥沙颗粒在非对称流动和床面近壁粘性底层中漩涡结构动力作用下,作受迫摆动、推移所致。     

基于LAMMPS的煤纳米孔隙中甲烷吸附/解吸和流动规律研究

基于LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)分子动力学方法,研究煤纳米孔隙中驱动力、孔径、温度和压力对甲烷吸附/解吸和流动的影响规律。结果表明,随着驱动力增加,甲烷分子黏度逐渐减小,流动性增强,流动速度增大,滑移长度绝对值逐渐减小,流动趋近于无滑移状态。甲烷的吸附密度与驱动力无关,主要受气?固作用影响。甲烷在流动过程中会吸附于煤孔隙壁面,当煤孔径较小时,甲烷几乎全部吸附,无游离态甲烷。增大煤孔径,壁面范德华力对游离态甲烷影响减弱,甲烷流动速度增大,孔隙内出现大量游离态甲烷,甲烷由单峰分布转为2个对称的双峰分布。大孔径中甲烷黏度较低,流动性好,Hagen-Poiseuille方程更适用于较大孔径中的甲烷流动。升高温度,甲烷分子热运动增强,吸附层密度降低,甲烷流动速度增加,煤孔隙壁上吸附态甲烷解吸为游离态甲烷,甲烷流量增大。增大压力,孔隙内甲烷数量逐渐增多,甲烷分子间强烈的相互碰撞使得甲烷流动阻力增大,流速减小。从微观角度通过建立更加真实的模型阐明了煤纳米孔隙中甲烷吸附/解吸和流动机制,研究结果可为工程应用中促进甲烷解吸、提升煤层气开采效率提供理论基础。      

交叉裂隙水力学开度的计算及非线性水力特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,得到了不同进口与出口组合时的流量和压力变化的关系曲线。同时结合串联裂隙水力学开度的计算公式,利用最小二乘法求解超静定方程组,计算交叉裂隙中每个裂隙单元的水力学开度。通过拓扑得到裂隙交叉点的几何尺寸,并求解Navier-Stokes方程,研究裂隙交叉对其水力特性的影响。结果表明,通过室内试验和串联裂隙水力学开度计算公式相结合的方法,可以准确计算每个裂隙单元的水力学开度。当雷诺数Re较小时,交叉点内部的流体成稳态层流流动;当雷诺数较大（比如Re≥100）时,可以观测到明显的漩涡,说明流体的惯性力远大于黏性力,经典的立方定律不再适用。对于1个进口2个出口的情况,出口的流量分配比率与雷诺数成二次函数关系,随着雷诺数的增大,流量分配比率的非线性越来越明显,其最大分配比率变化超过15%。出口的水力学开度e与初始水力学开度（即力学开度E0）的比值e/E0和雷诺数Re也具有二次函数关系。当Re10时,e/E0呈现出较强的非线性;利用该关系式可以得到修正的立方定律,从而进一步求解交叉裂隙的水力特性问题。     

水平多股淹没射流水力特性及消能分析

针对不能采用挑流消能型式的大型水电工程,提出了多股多层水平淹没射流新型消能型式.它是利用与下游消力池底板具有一定高差且基本平行的多股射流进入消能水体的中间,在每一股射流的四周形成强剪切并各有一个较为稳定的三元紊动旋滚的水平多股淹没射流进行消能.对该消能方式的水力特性和消能特性进行理论分析,推导出三元水平多股淹没射流水力参数计算公式,计算结果表明它是一种流态稳定、适应性强、低雾化、高消能率,有利于降低临底流速的新型消能方式.     

灌木植被分布区阻力特性理论及试验研究

为探明河道灌木植被分布区阻水规律，对灌木植被主干、分枝产生的水流阻力特性及其定量特征进行研究。提出原型植被体积修正系数和灌木植被水力半径确定方法，理论推导灌木植被阻力系数计算公式，并结合水槽试验建立植被阻力系数与植被水力半径为特征长度的植被雷诺数之间的关系式。研究结果表明：引入原型植被体积修正系数和灌木植被水力半径使灌木植被阻力计算更为准确；植被阻力系数与植被雷诺数之间呈指数函数关系，随植被雷诺数的增加呈单调减小的趋势，与水槽试验结果吻合很好。     

灌木植被分布区阻力特性理论及试验研究

为探明河道灌木植被分布区阻水规律，对灌木植被主干、分枝产生的水流阻力特性及其定量特征进行研究。提出原型植被体积修正系数和灌木植被水力半径确定方法，理论推导灌木植被阻力系数计算公式，并结合水槽试验建立植被阻力系数与植被水力半径为特征长度的植被雷诺数之间的关系式。研究结果表明:引入原型植被体积修正系数和灌木植被水力半径使灌木植被阻力计算更为准确；植被阻力系数与植被雷诺数之间呈指数函数关系，随植被雷诺数的增加呈单调减小的趋势，与水槽试验结果吻合很好。     

坡面流层流区动力学特性

为完善坡面水流的基础理论研究,基于定床水槽试验,以甘油溶液为试验流体,采用超声波测量技术,进行了4种粗糙度、5种坡度和13种单宽流量条件下的组合试验,研究了坡面流层流区的动力学特性及滚波特征。研究结果表明:在雷诺数为8~160的范围内,流态指数在理论值0.33附近波动,且随粗糙度的增大呈现先增大后减小的变化趋势,在粗糙度为0.10 mm附近达到峰值;阻力系数受坡度和粗糙度影响显著,可较好地由坡度、粗糙度和雷诺数的关系式表示;随着雷诺数的增大,滚波波速和波峰均呈幂函数形式递增,滚波周期大小无明显变化;坡度的增大会使层流失稳临界单宽流量减小,粗糙度的增大会使临界弗劳德数的均值减小。     

Parallel simulations of pore-scale flow through porous media

Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a versatile technique which can be applied to single and multiphase flow through porous media. The versatility of SPH is offset by its computational expense which limits the practicability of SPH for large problems involving low Reynolds number flow. A parallel pore-scale numerical model based on SPH is described for modeling flow phenomena in porous media. Aspects of SPH which complicate parallelization are emphasized. The speed of the method is demonstrated to be proportional to the number of processors for test cases where load balance was achieved. The parallel algorithm permits the application of SPH to more complicated porous media problems than previously considered. For such problems, best performance is achieved when several soil grains are simulated by each processor. Finally, future applications of the method and possible extensions are discussed.     

不同渗流强度对明渠水流结构影响的试验研究

关于明渠流引入渗流后的水流运动规律研究很多,但学者们的研究却存在着不同的结论。为探究不同渗流强度对明渠水流结构的影响,通过自行设计的明渠紊流水槽及渗透装置,利用PIV（Particle Image Velocity）图像采集系统及数据分析软件,测量了水流流速并分析了流速变化与相对渗流强度的关系。结果表明:水流流速并不是渗流强度的单值函数关系,随着入河渗流强度的增加,近底水流流速呈先减小后稍有增加,又继续减小的趋势;出河渗流时流速变化趋势与入河相反;出河及入河渗流都有着拐点的存在,且对应的相对渗流强度与雷诺数相关,雷诺数越大,拐点出现时对应的相对渗流强度越小。