簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε 紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。     

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。     

天然河道紊动扩散系数研究

在天然河流的水流泥沙数值模拟计算中,衡量模型模拟计算好坏的常用标准是模型的计算精度,而影响模型计算精度的因素主要体现在动量传递系数和紊动扩散系数的合理取值。在普朗特掺长假定和动量传递理论的基础上,将雷诺应力与时均流速梯度联系起来,并利用长江干流黄陵庙水文观测断面不同流量级、不同垂线脉动流速以及悬移质含沙量沿垂线分布的观测资料,计算与分析了水流的动量传递系数与小尺度紊动扩散系数的大小及其两者的关系,结果可为平面二维工程紊流计算问题提供参考依据。     

人工加糙对明渠紊动特性影响的试验研究

利用激光测速仪，对光滑壁面及人工加糙的明渠紊流进行了试验，测量了光滑壁面、水力过渡面、水力粗糙面不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速及脉动流速。通过实测资料分析了人工加糙对明渠紊流紊动强度的影响，得到了光滑面、过渡面及粗糙面紊动强度的发展变化规律。     

高含沙圆管流的紊动强度分布

明渠高含沙水流紊动特性的研究比较多，而关于高含沙管流紊动的文献则很少见到。我们在管路试验系统中，用应变式紊动流速仪，观测了管道内高含沙水流紊动强度的大小，沿垂线分布以及流速，含沙量对紊动强度大小和分布的影响，初步探讨了流核区内存在紊动，管轴处紊动紊动强度不小于其周围附近点紊动强度值的机理。     

梯形分布漂石群边壁处水流结构实验研究

通过概化水槽实验模拟野外漂石群梯形分布床面,讨论了低淹没度下的梯形分布的漂石床面上的理论零点取值的变化和摩阻流速取值方法,分析了沿水槽中心到边壁附近的漂石床面上各垂线流速和水流紊动强度的变化,并进一步观察不同流量下,光滑壁面对其紊动强度影响效应的大小。研究表明,y/h在0.3―0.4时,流速分布大致符合对数分布,而在紊流主流区和近床面区,流速偏离对数分布,越靠近边壁,流速越小,且边壁对流速影响强度随着y/h的增加而减小。y/h大于0.4时,边壁效应强度随流量的增加而增加,边壁效应使得床面合紊动强度沿中心到边壁逐渐增加。     

均质高浓度流从层流向紊流的过渡及紊动强度

和牛顿流体一样,宾汉流体的雷诺数超过一定值后,其流动将从层流向紊流过渡。本文介绍了宾汉流体从层流向紊流过渡时的时均流速和阻力系数,以及宾汉紊流在光滑区的紊动强度沿垂线分布。文中也给出了宾汉流体由层流向紊流过渡时的临界雷诺数近似判别式。     

明渠紊流的紊动结构特性

本文采用二维激光流速仪对光滑及均匀加糙下的明渠紊流进行了系统的试验研究,测得了较为全面的紊动结构资料:时均流速,纵、垂向脉动强度,紊动切应力及相关系数。根据试验结果,分析了明渠紊流结构特性,并对紊流随机理论关于明渠紊流的紊动结构的(4)～(8)式进行了全面的验证,其结果吻合较好。     

高分辨率粒子示踪测速技术在光滑明渠紊流黏性底层测量中的应用

在光滑明渠紊动水流的研究中,黏性底层具有重要的作用,壁面剪切应力与涡量均源于此流区。由于充分发展明渠紊流的黏性底层的物理尺度在0.1 mm量级,常规方法难以实际测量该区内的速度分布。本文构建了测量黏性底层的高分辨率HR-PTV与测量全流区的普通PIV的耦合测量系统,对光滑明渠紊流黏性底层的流动特性进行了研究。HR-PTV系统采用阈值递增法、灰度截断、椭圆度与充实度指标等方法进行图像处理得到清晰的粒子图像;使用匹配几率法对粒子坐标进行匹配,计算粒子速度。得到了明渠紊流黏性底层(0.3 mm以内)的平均流速、紊动强度、偏态系数和峰度系数的垂线分布。从拟合的平均流速分布得出摩阻流速u*,结果与牛顿流体本构方程一致;黏性底层与全流区的时均流速、紊动强度和雷诺应力均能用拟合所得的u*合理无量纲化,并能光滑连接,表明由此得出的u*适用于全流区。将明渠紊流的各种分布与封闭槽道流DNS数据进行对比,验证了HR-PTV在黏性底层所得各阶速度矩的准确性。     

挟沙水流泥沙浓度分布的试验研究

通过挟沙水流泥沙浓度分布的试验，研究泥沙浓度和紊动强度沿垂线的分布之间的内在联系，试验结果表明泥沙浓度和紊动强度沿垂线的分布一致性较好，建立了泥沙浓度和紊动强度沿垂线分布之间的关系式。分析了关系式中泥沙浓度、泥沙的中值粒径对系数K的影响，中值粒径的影响较泥沙浓度对系数K的影响大，系数K随中值粒径的减小明显减小。并在此基础上进一步建立了泥沙浓度与流速、流速梯度之间的关系式。     

射流冲沙研究

作者通过实验和分析，研究了横流中加入平面冲击射流对防止局部泥沙淤积的影响。水槽实验中观测了水射流局部紊动强度变化、射流冲沙范围内局部紊动剪应力分布、泥沙不淤积临界断面的底部垂向紊动强度和射流强度与泥沙防淤尺度的关系。得出了射流影响区水流紊动能随距离的衰减规律和保持泥沙不淤积所需的水流临界紊动强度。统计分析了射流强度与紊动能的变化关系。根据泥沙悬浮理论和射流紊动输沙机理，建立了水射流局部无泥沙淤积长度经验计算式，并以不同特性泥沙的射流输沙实验资料对所建立的计算公式进行了验证，二者吻合良好。     

基于Fluent的直管式旋桨反应器三维流场的数值模拟

运用计算流体力学（CFD）软件对新型直管式旋桨反应器进行流场模拟。用Gambit建立三维实体模型,采用多重参考系法（MRF）和标准κ-ε双方程模型对反应器内液相流场进行模拟,运用Tecplot对计算结果进行后处理。结果表明：计算所选模型能较准确地模拟反应器内的流场分布,反应器内最大流速和湍动能分布在桨叶端部附近,流体的整体流动趋势以环流为主,有利于不同区域内物料的均匀混合;相比于单一桨叶反应器,该多组合桨叶反应器能提供更大范围的紊动流场。在模拟物为水体的情况下,本反应器对应的最佳转速是40 r/min,并提出反应器在水环境中的应用方法。     

推移质运动对清水和宾汉体泥浆湍流结构的影响

通过试验研究了清水湍流和泥浆湍流中加入推移质后时均流速分布、脉动强度、概率密度分布、相关系数、频谱密度分布等的变化.试验结果证明,清水和泥浆湍流中加入推移质后时均流速减小,时均流速梯度增大,脉动加强.泥浆过渡区湍流上部为层流,有流核,加入推移质后,上部层流转变为湍流,流核消失.分析证明,这是由于推移质运动增大了雷诺应力和时均流速梯度,因而增大了时均流动向脉动传递的能量的缘故,清水湍流中加入推移质后脉速概率密度分布偏离正态,偏态系数加大.泥浆湍流中加入推移质后相关系数降低,脉动的随机性增大.泥浆湍流的脉动能量集中于低频脉动.由于推移质也可以吸收低频脉动能来支持其运动,所以加入推移质后泥浆湍流的低频脉动能量降低,高频脉动能量增大.     

堆积体对上游附近河道三维流速分布影响的试验研究

堆积体的存在易对河道的水流流速产生影响。通过水槽试验,采用ADV观测堆积体附近的三维流速。通过控制流量大小,研究堆积体作用下河道三维流速沿堆积体上游临近横断面的分布规律。试验结果表明:①流量相同时,流速受堆积体形态影响。离河床越近,三维流速沿横断面的分布曲线:顺水流方向流速u的趋势线越陡,指向右岸一侧流速v和垂直河床向下流速w的峰值越向堆积体在横断面的投影线靠近。v由天然情况下趋于0的直线变成离河床越近,流速峰值越大,两岸流速越小的下抛物线。w在河床附近,曲线呈“勺子”形态,远离河床,曲线失去“勺子”形态。②随着流量增加,同一流层上,u流速增大,流速沿横向的分布越不均匀,曲线越陡。u流速方向和v流速方向的夹角θ,在离左岸(堆积体一侧)大约1/2堆积体半径时取得最小值。离左岸越远θ值越大,直至离左岸45 cm后θ才恢复天然值90°。研究成果可为河流防护和治理工作提供技术支撑。     

盲肠河段口门紊动掺混区水流运动的相似分析

本文应用湍流模式，建立了盲肠口门紊动掺混区水流运动的数学模型，在定常流动中，近似具有自相似性。利用相似理论，给出了流函数和流速的相似函数，对掺混区的水流运动进行了模拟计算。并分析了掺混区横向流速梯度及涡粘性系数的变化特性。     

开孔促淤板周围水流紊动特性试验研究

为深入了解开孔促淤板周围的水流特性,通过室内概化水槽试验分析了开孔促淤板前后的水流紊动特性,采用声学多普勒流速仪(ADV)测量了开孔促淤板前后典型断面上的三维瞬时流速,分析了典型断面上的时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果表明:板后近板区出现回流区,且回流区与开孔促淤板格栅位置相对应;板后水流相对紊动强度、雷诺切应力及相对紊动能明显大于板前,开孔促淤板对板后近板区水流影响较大;随着与开孔促淤板距离的增大,回流现象消失,流速变化趋于稳定,水流相对紊动强度减小且最终趋于稳定,相对紊动能出现折减且折减率逐渐降低;靠近近板区xOy面雷诺切应力大于yOz面雷诺切应力,靠近下游xOy面雷诺切应力与yOz面雷诺切应力相差较小。     

Using an eddy‐resolving technique to assess the effects of reservoir operation on the bend flow in Yangtze River,China

With increasing computing power over the last decade, eddy‐resolving methods in hydraulics engineering have been widely used to investigate the turbulence structure in natural rivers, where accurate field measurements were difficult to conduct and investigate. A detached eddy simulation (DES) model was developed on the basis of the k‐ω‐SST (shear stress transport) eddy‐viscosity model within the framework of an unstructured‐mesh Semi‐implicit Eulerian–Lagrangian Finite Element (SELFE) hydrodynamic model. The DES model was then applied to simulate the bend flow in the upper Yangtze River, and the calculation efficiency was enhanced through parallelized computation to mitigate the high computation costs involved in the DES modelling. The time‐averaged velocity, turbulent intensity and Reynolds stress were compared, using DES modelling and acoustic Doppler current profiler (ADCP) measuring results, indicating good agreement, especially in the near‐bed region. The coupled relationship between the turbulent flow and riverbed terrain was also investigated through extracting and analysing the high‐order statistical variables reflecting the turbulence structure, including non‐hydrostatic pressure, vorticity and helicity, indicating the fluctuated amplitude of non‐hydrostatic pressure can reach to 100 Pa, and the stripe distribution of non‐hydrostatic pressure and vorticity had an orthogonality relation. At the same time, the streamwise velocity at the middle of the HLM bend was found to be decreased at least 0.7 m/s because of unsteady process smoothing and backwater effects attributable to water releases and storage of the reservoirs located upstream and downstream of the HLM bend. The developed unstructured‐mesh DES model will provide a new tool to study turbulent flows in a natural river and assess the effect of reservoir operations on river flows.     

含污染物的环流非充分发展弯道湍流数值模拟

本文建立了可模拟弯道中含污染物湍流的三维部份抛物型代数应力模型，以４５°弯道为例，针对左右两岸分别泄放污染物的环流非充分发展弯道流进行了计算，对所得的水流结构及污染物浓度分布进行了分析，结果充分反映出环流非充分发展弯道流中水流结构及污染浓度分布的特点。     

常曲率U型弯道水流紊动特性试验研究

采用三维声学多普勒流速仪,对水流三维流速进行了采集,对弯道水流的脉动进行了统计分析,研究了典型断面的紊动强度、紊动切应力、紊动能的分布。试验结果能够很好的揭示弯道水流的三维特性及分布规律。研究成果为进一步研究水流的紊动结构及泥沙的运动机理提供了参考资料。     

Bottom shear stress in unsteady sewer flow.

The properties of unsteady open-channel turbulent flow were theoretically and experimentally investigated in a circular cross section channel with fixed sediment deposits. Velocity and turbulence distribution data were obtained using an ultrasonic velocity profiler (UVP). Different uniform flow conditions and triangular-shaped hydrographs were analysed. The hydrograph analysis revealed a dynamic wave behaviour, where the time lags of mean cross section velocity, friction velocity, discharge and flow depth were all evident. The bottom shear stress dynamic behaviour was estimated using four different approaches. Measurements of the velocity distribution in the inner region of the turbulent layer and of the Reynolds stress distribution in the turbulent flow provided the analysed data sets of the bottom shear stress. Furthermore, based on the Saint Venant equation, the bottom shear stress time behaviour was studied using both the kinematic and the dynamic flow principles. The dynamic values of the bottom shear stress were compared with those for the steady flow conditions. It is evident that bottom shear stress varies along the generated flood hydrograph and its variation is the function of the flow unsteadiness. Moreover, the kinematic flow principle is not an adequate type of approximation for presented flow conditions.