近底高含沙量流层对水流及泥沙运动影响的初步探討

本文根据三组水槽试验资料,初步探讨了近底高含沙量流层对流速分布、紊动特性等的影响,以及在此条件下的含沙量分布规律.近底高含沙量流层的存在,改变了时均流速的分布.在主流区实测范围內,流速分布继续遵循对数定律,但公式中的卡门常数减小,亦即流速分布趋于不均匀.在近底流区內具有明显的密度梯度,其流速分布可用式(13)来描述.挟沙水流中的含沙量梯度有使紊动減弱的作用.在高含沙量条件下,含沙量沿垂线分布具有公式(29)的形式.     

挟沙水流卡门常数的影响因素

挟沙水流卡门常数是反映泥沙运动对水流结构影响的重要参数之一,本文回顾并讨论了挟沙水流卡门常数的计算公式及其影响因素.基于影响因素的量纲分析,得到了影响挟沙水流卡门常数的无量纲参数的关系式,由水槽实验资料确定出卡门常数的计算公式.经有关实验观测资料和长江、黄河实测资料的检验,表明本文所得公式计算的卡门常数与实验观测资料和野外实测资料的分析值均符合较好.     

高低含沙水流流速分布的统一规律

作为自然界中普遍存在的一种典型的固液两相流，挟沙水流流速分布具有与清水不同的变化规律。本文明确挟沙紊流(无流核)为研究对象，通过天然沙挟沙水流流速试验，首先分析紊动状态下高、低含沙水流流速分布特点；在此基础上，通过引入同时反映含沙量和颗粒级配影响的相对黏度指标，分析高、低含沙紊流的卡门常数κ统一规律及其表达式，由此将高、低含沙水流流速分布统一于卡尔曼-勃兰德尔对数流速分布公式上，并应用室内粉煤灰等试验资料分别验证了卡门常数κ及卡尔曼-勃兰德尔对数流速分布公式的合理性和可靠性；本项研究成果对进一步揭示高、低含沙水流的水流结构与输沙机理以及对河道整治规划设计具有重要的现实意义。     

动床水流卡门常数K的物理意义及其应用

本文分析了动床水流流速分布与点、线、面的卡门常数Ｋ值的关系，指出在主流区流速分布仍遵循对数定律（但Ｋ值不再是０．４），文中揭示了动床水流卡门常数Ｋ值具有可变的特性，建立了悬浮指标、掺混长度、动量交换和泥沙交换系数垂线分布变化规律与水流结构（流速分布）变化规律之间的联系，并获得了正确的理论解。     

低含沙水流运动特性综述

本文着重综述了清水水流、挟沙水流的流速分布动特性、能量间分配关系等流动现象的内部规律，并系统分析比较了它们的异同，文中还兼论了卡门常数。     

卡门常数研究现状及存在的问题

挟沙水流卡门常数是反映固液两相流中泥沙对水流结构影响的重要参数之一。鉴于此,回顾了卡门常数的来历、实质和卡门常数的影响因素、物理意义,总结了国内外因考虑因素不同而导出的卡门公式,接着对研究得到的卡门常数作了一个简要客观的评价,最后指出卡门常数进一步研究需要注意的问题:从能量输移理论进一步弄清楚能量分配机制,同时需要更精确的试验资料进行分析。     

近岸海域泥沙侵蚀率与水流挟沙力

根据河流和近岸海域泥沙运动过程的差异,通过比较水沙界面泥沙通量、近岸海域泥沙侵蚀率和挟沙水流挟沙力,导出了适合于近岸海域泥沙的挟沙力公式,并且引入了挟沙水流有效流速的定义,得到挟沙力是有效流速的函数,其系数是泥沙粒径、阻力系数及底部泥沙体密度的函数.论证了波浪、潮流的有效流速为最大流速的l/√2以及河道水流的有效流速即为河流流速,从理论上证明了刘家驹公式的适用性,同时用现场实测资料验证了给出的挟沙力公式的合理性.     

挟沙水流几个运动特性的探讨

 引用大气边界层的混掺长度表达式作为挟沙水流近壁区的混掺长度,从挟沙水流总切应力平衡方程导出了近壁区的流速分布公式，通过比较验证后推广到整个水深范围，进而使用该公式导出了挟沙水流主流区以上的混掺长度、动量交换系数和整个水深的垂向紊动强度公式 前两者与水槽资料点绘的结果吻合良好，由后者得到了垂向紊动强度增减的临界条件。     

挟沙水流运动特性的探讨

本文引用大气边界层的混掺长度表达式作为挟沙水流近壁区的混掺长度，从挟沙水流总切应力平衡方程导出了近壁区的流速分布公式，通过比较验证后推广到整个水深范围，进而使用该公式导出了挟沙水流主流区以上的混掺长度、动量交换系数和整个水深的垂向紊动强度公式，并由后者得到了垂向紊动强度增减的临界条件，前两者与水槽资料点绘的结果吻合良好．     

再悬浮底泥污染物在水体中的分层释放特征

通过环形水槽实验,该文研究了水流条件和含沙量对悬浮泥沙污染物在水体中动态释放的影响。结果表明,悬浮泥沙污染物的分布和流速及泥沙浓度有着"亦步亦趋"的紧密关系,流速变化和泥沙浓度变化能明显地改变水体中污染物的释放特征。水流流速是改变水体污染物浓度分布的主要动力因素,水槽中清水和挟沙水流在流速的垂向分布上有着显著的不同,挟沙水流靠近水表面的流速比平均流速更大,近底流速更接近于平均流速。在一定的水力条件和含沙量条件下,悬浮黏性泥沙在水体中存在明显的分层结构,浓度突变点在水深的三分之一处,并随深度向水面及水底变小。污染物的垂向分布形成略滞后于泥沙浓度分层和水流流速分层,且污染物的垂向浓度分布更加均匀。水流的流速越大,泥沙污染物的分布随着深度的变化差异也越大;水体的含沙量越大,泥沙污染物的垂向分布越趋向于均匀。     

明渠含沙水流的垂线流速分布特性研究

 为了进一步研究明渠中含沙水流的垂线流速分布规律,在水槽系统中对明渠恒定均匀含沙水流进行了系列试验,利用实测流速资料,计算分析了时均流速的垂线分布。结果表明：在宽深比比较小的明渠中对最大流速点修正的对数公式可以很好地符合实测数据;水槽中心位置的卡门常数要比其边壁附近的小;卡门常数随着含沙量的增加而减小。通过对明渠含沙水流垂线流速分布特性的研究,增强了对明渠含沙水流垂线流速分布规律的认识。     

挟沙水流流速的垂线分布公式

流速分布规律的研究是揭示一般水流和高含沙水流动性的关键。本文在回顾以往研究成就的基础上，开展了理论及实验研究。以提出的紊流涡团模式为基础，得出了挟沙紊流速分布的公，大量实测资料的检验结果表明，该公式能较真空地描述出一般挟沙水流及高含沙紊流的流速分布变化规律，具有较大的使用价值。     

大比降卵石河床水流运动试验研究

针对我国西北地区内流河宽浅变迁河段的比降和河床组成,本文采用乒乓球模拟颗粒排列紧密的大比降河床,研究大比降卵石河床的粗糙尺度和流速分布问题。试验研究发现:(1) 相对光滑度H/Ks >1.9时,垂线流速服从对数分布规律较好;H/Ks <1.9 , 粗颗粒的形状对水面产生明显影响,对数分布规律较差,小尺度粗糙的临界值可确定为2。(2)采用对数流速分布拟合试验数据,在卡门系数k为0.4的情况下,得到粗糙壁面的积分常数为 9.4。并对本试验结果与国内外的研究成果作了比较。     

高含沙水流脉动特性试验研究

以某工程的表孔为依托,建立1∶100单体模型。通过配置不同含沙量的水流,对水垫塘底板含沙水流的脉动压强进行试验。结果表明,在试验范围内,水流条件不同,含沙量对脉动强度的影响不同:水流条件较强时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先减小后又增大的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最多减小24.73%;水流条件较弱时,脉动压强随着含沙量的增大,呈现先增大后减小的趋势,含沙水流最大脉动压强比清水最大增加78.74%。冲击区含沙水流脉动压力分布比清水更接近正态分布,脉动压力能量大部分集中在0.4 Hz以内,功率谱无明显的优势频率,水流主要以低频大尺度漩涡为主。通过对高含沙水流水垫塘底板的脉动压强进行观测,总结分析了不同因素影响下高含沙水流脉动压强特性的变化规律,为相关工程提供参考。     

泥沙粒径与水流紊动关系试验研究

挟沙水流中的泥沙颗粒因水流紊动而悬浮，同时受重力作用而下沉。由于水流中的泥沙颗粒会对水流紊动产生影响，反之，水流紊动也对泥沙颗粒分布产生影响，它们之间作用是相辅相成的。本文采用超声流速仪（MicroADV）量测挟沙水流的时均流速沿垂向分布，同时对泥沙颗粒粒径的分布进行了试验，研究了泥沙颗粒粒径d50和水流紊动强度在沿垂向分布之间的内在联系，结果表明：泥沙颗粒粒径和紊动强度沿垂线的分布一致性较好，并用实测资料对他们进行了拟合，建立了它们之间的关系式，有一定的实用价值。     

VELOCITY DISTRIBUTIONS OF SUSPENDED SEDIMENT-LADEN FLOWS IN OPEN CHANNELS

This paper presents an analysis on the velocity distributions of steady,uniform suspended sediment-laden flows in open channels.The sediment particle-particle interactions and the buoyancy effects due to density stratification are taken into account respectively through the water-sediment mixture's constitutive relationship and an adapted Monin-Obukhov lengthscale to validate the theory for a wider spectrum of sediment concentrations.The developed model,with the same yon Karman coefficient as that of a single phase flow,is shown to be in excellent agreement with measurements of controlled experiments with both low and heavy sediment concentrations.     

SIMULATION OF LOW-CONCENTRATION SEDIMENT-LADEN FLOW BASED ON TWO-PHASE FLOW THEORY

Low concentration sediment-laden flow is usually involved in water conservancy, environmental protection, navigation and so on. In this article, a mathematical model for low-concentration sediment-laden flow was suggested based on the two-phase flow theory, and a solving scheme for the mathematical model in curvilinear grids was worked out. The observed data in the Zhang River in China was used for the verification of the model, and the calculated results of the water level, velocity and river bed deformation are in agreement with the observed ones.     

关于挟沙水流流速分布问题

挟沙水流的流速分布是泥沙动力学中一个尚有争议 的问题,为了深入研究这一问题,对爱因斯坦和钱宁等的变k模式和Coleman模式进 行了进一步分析。发现变k模式的k值与Coleman尾流强度系数Π之间存在一一 对应的关系,并推导了这一数学关系。最后利用多组实测挟沙水流流速分布资料对这一关系 进行了验证。     

A numerical study of pumping effects on flow velocity distributions in Mosul Dam reservoir using the HEC‐RAS model

Water flow direction and velocity affect and controls erosion, transport and deposition of sediment in rivers, reservoirs and different hydraulic structures. One of the main structures affected is pumping stations within the dams wherein the velocity distribution near the station intake is disturbed. The two‐dimensional (2‐D) HEC‐RAS 5.01 model was utilized to study, analyse and evaluate the effects of pumping rates and flow depth on the flow velocity distribution, flow stream power and their effects in the Mosul Dam reservoir. The pumping station was considered as a case study. The station is suffering from sediment accumulation around, and in, its intake and suction pipes. The main inflow sources to the reservoir are the Tigris River and run‐off from the valleys within its basin. The reservoir was divided into two parts for the present study, including the upper part near the pumping station (analysed as a two‐dimensional zone), while the lower part was analysed as a one‐dimensional flow to reduce the simulation period computation time (1986–2011). Different operation plans (i.e. pumping rate and water depth) were considered. The results of the depth‐averaged velocity model indicated that when the pumping station was working at a range from the designed full capacity (100% to 25% of its full capacity), the maximum flow velocity increased from 75 to 4 times the normal velocity when there is no pumping dependent on pumping rate and flow depth. For the same operation plans, the flow stream power varied from around zero values to 400 times at full pumping capacity and low flow depth. For sediment routing along the reservoir, the considered statistical criteria indicated the model performance in estimating the total sediment load deposition and invert bed level is much better than in the case of erosion and deposition areas for different considered bed sections of the reservoir.     

三峡建库后土脑子河段航道整治方案数值模拟的初步研究

本文在已建河床水流泥沙数学模型的基础上^[1]，针对土脑子河段的河道特性，修改并建立了能够反映该河段水抄运动特性的平面二维水流泥抄数学模型。用土脑子河段1995年河床冲淤及水位、流速等方面的实测资料对所建模型进行了验证，结果表明计算值与实测值吻合良好。在此基础上．进行了三峡建库后，土脑子河段135m蓄水期及156m蓄水期整治前后的二维水抄运动及河床冲淤计算。