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。     

明渠剪切分层流垂向扩散特性试验研究

对直段水槽明渠剪切分层流的掺混扩散特性进行了物理模型试验研究.试验测得的断面流速、温度、紊动动能、雷诺应力等物理量,分析了分层流掺混强度和出水口附近交界面垂向热扩散系数的变化规律.结果表明掺混强度的变化规律随流态和相对位置的不同均有明显差异;出水口附近交界面垂向热扩散系数E_z与掺混强度E成正比关系,而与出水密度弗劳德数Fd₀成指数递增关系;提出了E_z与E、Fd₀的经验函数表达式.     

结构面剪切强度参数三维分形估算

现有结构面剪切强度参数经验估算公式多建立在结构面形态二维描述基础上,对结构面形态的三维特征考虑不够。作者自行研制了结构面形态三维量测设备,对结构面表面形态进行三维量测,将量测结果与分形理论相结合,采用分形维数表征结构面三维形态特征。在对大量硬性结构面剪切试验结果及表面形态描述结果进行统计分析的基础上,提出将JRC-JCS估算公式中的JRC用分形维数的表达式替换,进而建立了基于结构面表面形态三维分形表述的剪切强度估算公式:τ=σntg[(6.12D-13.53)lg ((JCS)/σ_n)+φb]。实际应用结果表明,改进后的估算方法能得到令人满意的结构面剪切强度参数。     

结构面剪切流变及其长期强度试验研究

针对某电站典型代表性的岩层,进行室内岩石剪切流变试验,对岩块在剪切变形过程中的流变特性进行深入研究,选取扩展的Burgers模型建立流变方程,用MATLAB工具函数fminsearch拟合试验得到的μ - t非线性函数流变曲线,确定岩体结构面的流变参数,并根据剪切流变试验确定其长期剪切强度。相对瞬时剪切强度,用长期强度进行设计更能保证工程的安全。     

基于多重分形特征的岩体结构面剪切强度研究

Barton剪切强度模型是目前工程实践中普遍采用的强度公式,而实践应用时,该模型中结构面粗糙性系数（JRC）的评估存在主观性和片面性的缺点。鉴于此,应用多重分形理论,提出了采用多重分形参数准确量化JRC的方法。首先应用数字图像处理技术获取了结构面三维形貌数据信息;然后采用投影覆盖法进行了结构面的分形维数计算,重点对结构面的多重分形特征进行了分析,通过对比分析了构造的15个结构面的多重分形特征值。结果表明：结构面越粗糙,多重分形特征参数 和 值越大, 或 能够很好地描述结构面的形貌特征。最后对9组石膏试件进行了剪切试验,通过不同正应力下对应的剪应力数据分析,结合结构面形貌多重分形参数 或 ,以Barton剪切强度公式为基础,应用最小二乘法原理,给出了JRC与 及JRC与 关系。这样在工程实际中,可以用参数 或 对JRC进行估算,克服了JRC人为估值主观性及采用二维标准轮廓线评估片面性的缺点,为准确评估结构面粗糙度提供了一条新的途径。在此基础上,应用Barton模型可准确估算岩体结构面的剪切强度。     

结构面的剪切蠕变特性研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义。本文利用水泥砂浆制作的规则齿形结构面试样进行了剪切蠕变室内试验,针对不同角度结构面试件在不同法向应力条件下的剪切蠕变特性进行了研究,并根据蠕变试验结果,提出了结构面剪切蠕变经验公式;对结构面的长期强度特性进行研究,并选取Burgers模型来描述蠕变的剪切变形特性,文章最后讨论了Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的参数特征。     

自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究

利用室内剪切试验装置,开展不同正应力、自然与饱水条件下岩体异性结构面的剪切试验,分析异性结构面的剪切变形和强度特性,利用JRC-JCS抗剪强度力学模型将试验结果与计算结果进行对比分析。结果表明,（1）异性结构面的剪切变形曲线属于弹塑性残余变形类型。相比自然状态试件,饱水试件的弹性区减小,较早进入峰值区或塑性区;（2）异性结构面的剪切刚度均随法向力的增大而增大,但同一正应力下饱水试件的剪切刚度要小于自然状态的剪切刚度,在低法向力下尤为显著;（3）水对岩体异性结构面剪切强度参数有不同程度的弱化,尤其对内摩擦角 的劣化明显;（4）只要计算参数选取得当,并考虑实际岩体的受力及水等情况,JRC-JCS计算模型可以为实际工程岩体的结构面强度提供较为准确的参数。     

黑河下游颈口裁弯后河道三维水流结构研究

黄河源黑河下游于2018年7月汛期发生1次颈口裁弯的极端地貌过程,裁弯河段的水流结构发生强烈调整,开展原型观测裁弯后河道水流结构具有重要科学意义。2019年和2020年采用声学多普勒流速剖面仪对裁弯河段共计45个横断面进行野外测量,对比分析裁弯后河道三维水流结构与环流强度。结果表明：受河道形态、边界条件、水文条件等因素影响,裁弯口上游顺直河段的水流结构受颈口裁弯的影响较小,而弯道段水流结构于裁弯后明显调整。具体表现为颈口裁弯对顺直河段的流速、环流强度空间分布无较大影响,会改变弯顶段最大流速的横向分布和环流结构的断面分布、影响分离区的规模和分布位置。研究结果加深了颈口裁弯后水流结构调整对牛轭湖淤积、分离区河床冲淤以及新河道冲刷影响的认识。     

绿片岩软弱结构面剪切蠕变本构模型研究

基于岩石双轴流变试验机得到的具有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩剪切蠕变试验曲线,对绿片岩软弱结构面的长期强度特性和加速蠕变特性进行研究,并在此基础上提出了1个新的非线性剪切流变元件,将该元件与西原模型串联起来,建立1个新的非线性黏弹塑性剪切流变模型,以充分描述绿片岩软弱结构面的剪切流变特性,采用绿片岩软弱结构面加速蠕变曲线,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行了辨识,得到了绿片岩软弱结构面非线性黏弹塑性流变模型的参数,对流变模型与试验结果进行比较,结果表明,所建立模型是正确合理的。     

含植物河道紊流结构研究进展

自然河流中,水生植物的存在改变了河道中的紊流结构.与普通明渠紊流相比,含植物河道水体掺混更剧烈,紊流结构更复杂.由于紊流结构直接影响河流中泥沙、污染物和营养物的输移,含植物河道紊流结构研究越来越受到重视.从紊流平均结构、紊动特性、拟序结构和紊流类型几方面归纳并总结了国内外研究进展,综合分析了影响紊流结构的因素,提出利用场与点相结合的综合分析方法,对拟序结构的形成及发展过程进行定量刻画,探究植物条件下紊流机理是今后的重要研究方向.     

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。     

明渠水流自掺气发展区水气结构分析

为研究明渠水流自掺气发展区内水气结构特征,采用针式掺气流速仪对自掺气发展区内气泡尺寸与数量进行了试验研究,比较了气泡尺寸与数量随自掺气发展的变化规律,结果显示,同一水流断面上,随着掺气浓度的减小,气泡弦长尺寸分布范围与弦长平均值逐渐减小,掺气区内小尺寸气泡在数量上占有较大的比例,而大尺寸气泡则在含气量上占有较大的比例,分析认为从水面附近高掺气浓度区至自掺气区域底缘低掺气浓度区,明渠自掺气水流水气结构发展过程为“水面变形为主—水面变形与个体空气泡共存—个体空气泡”,为进一步研究明渠自掺气形成机理提供了一定的参考。     

浊流和泥石流的异重流初期潜入点的实验研究

潜入点的水流泥沙条件是异重流的发生条件和持续条件,受到了国内外学者的广泛关注。初期潜入点Fr代表异重流的发生条件,而稳定潜入点Fr则代表异重流的持续条件。通过一系列的低浓度浊流和高浓度浊流及泥石流的异重流潜入点的实验研究,分析对比低浓度浊流和高浓度浊流及泥石流的异重流的关系,得到在均匀顺直水槽中的异重流初期的潜入点Fr规律。提出在一定的水槽宽度、泥沙浓度条件下,异重流的初期潜入点Fr与头部流速成正比。与其它文献不同研究条件的实验结果对比有很好的一致性,说明该研究结论有很好的可靠性。该研究结论的适用范围为初期潜入点,不适用于稳定潜入点和初期潜入点与稳定潜入点之间的过渡阶段。但高浓度浊流和泥石流的异重流初期潜入点Fr与其稳定潜入点Fr很接近,粘性泥石流的异重流更接近。     

河道一维非恒定流微分结构摩阻公式及其试验论证

传统的恒定流经验摩阻公式作为对恒定流状态下摩阻的总结,建立在摩阻、流速、水深存在单一关系的基础之上。而非恒定流条件下,水文要素的涨落存在先后顺序,各水文要素之间不再是单一关系。为提高一维非恒定流摩阻的模拟精度,考虑水文要素的时空变化对摩阻的影响,运用量纲分析整理出以微分结构表达的摩阻改进公式。并设计实验模拟单峰水流过程,验证公式改进的有效性。结果表明,相对于谢才公式,改进公式提高了对一维非恒定摩阻的模拟精度,有一定的实用价值。     

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。     

渠道非恒定流水力学响应研究

输水渠道中的水位将随流量的改变而产生波动,且由一种恒定流状态过渡到另一种恒定流状态需要经过一段稳定的时间。这一水力变化过程与渠道自身的结构特性、渠道运行方式的选择和流量变化的幅度、速率有关。通过对渠道中的非恒定流进行数值模拟,对不同情况下渠道的水力学响应进行了研究。     

漫滩恒定明渠水流的三维数值模拟

采用Naot-Rodi代数应力模型(N-R模型),结合非均匀交错网格下的混合有限分析法(HFAM)来计算漫滩水流的三维流动。为了得到稳定的收敛解,作了两点改进:其一为非均匀网格中数值离散的导数项二阶格式的引入;其二为复式断面分块耦合技术的采用。给出了漫滩水流主流速等值线、二次流的断面分布、垂线平均流速的横向分布以及主槽与全断面流量比随相对水深的变化规律。部分结果与实验资料的对比,表明NR模型和HFAM能较好地用于研究漫滩水流流速、流量和水位的关系。