卵砾石河道摩阻流速计算方法探讨

通过水槽试验,采用6种方法:对数流速分布回归法、外延雷诺应力分布法、三维紊动能法、垂向紊动能法、韩其为经验公式法和拖曳力系数法,计算了卵砾石河床的摩阻流速。以韩其为计算摩阻流速的经验公式为标准,分析了各种方法中参数取值对计算结果的影响及其在不同水力和床面条件下各种方法的适用性。提出了2种可行的计算途径:光滑床面条件下各方法计算摩阻流速所得结果最大均方差为2.15,其中对数流速分布回归法较准确,三维紊动能法计算值普遍偏小;相对粗糙床面条件下各方法计算摩阻流速的结果均方差最大达到8.84,其中对数流速分布回归法和三维紊动能法较准确。     

南黄海辐射沙洲西洋水道垂向流速分布计算研究

利用传统对数分布描述潮流垂向流速分布时,常与现场实测资料有所偏差。考虑到悬沙垂向分布不均造成的水体分层效应,引入水体分层参数对动量传递系数进行修正,将悬沙垂向指数分布公式应用到流速分布计算中,推导出悬沙梯度引起水体分层效应时的垂向流速分布公式。与南黄海辐射沙洲西洋水道实测流速数据的对比分析表明,该分布与实测数据的相关程度明显高于传统对数分布,垂向流速分布结构更加符合实际情况。由于悬沙在水体底层的减阻作用,得到的摩阻流速小于由对数分布得到的摩阻流速,可以真实反映西洋水道内潮流底部的摩阻特性。     

水下贴底射流及其对淤泥质床面冲刷实验研究

本文对水下圆截面贴底射流所产生的流速场及其对周围淤泥质床面的冲刷作用进行了实验研究，通过定床和动床两个系列的射流实验，给出了计算定床条件下床面流速分布和动床条件下射流临界冲届摩阻流速和冲届坑尺度的经验公式。     

明渠均匀流的摩阻流速及流速分布

在水槽系统上对明渠恒定均匀流进行了系列实验，利用实测流速资料，对明渠均匀流摩阻流速的各种方法（雷诺应力法、对数流速分布法、阻力平衡法等）的计算结果进行了对比，并分析了流速分布。结果表明：（1）利用阻力平衡法计算摩阻流速时应考虑边壁影响；（2）包含尾流函数的对数-尾流公式比单一对数公式可以更好的符合实测数据。用单一对数公式描述垂线流速分布时，应采用较小的Karman常数；（3）现有大量明渠均匀流实测资料中，用常用的Karman常数（x=0．4）时单一对数公式仍可以较好的表示全水深流速分布是因为采用了较大的摩阻流速。     

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。     

沙波形态对波浪要素的响应

针对波浪作用下沙质底床上普遍存在的沙波现象,从沙波尺度角度出发,采用1957—2018年共385组野外实测资料和水槽试验资料进行拟合分析,得到基于近底波浪水质点运动强度的沙波波高、沙波波长计算公式。结果表明:与Ni81规则波、Ni81不规则波、VR89和GK04等4种典型模型对比,新的沙波波高和沙波波长计算公式具有更高的计算精度且表达形式上更具一般性;利用该沙波形态计算公式可改进床面粗糙度的计算方法,当应用于波浪底摩阻系数的求解时计算结果与实测数据较为吻合,即沙波形态对底边界层有效粗糙度的影响显著;新的沙波波高和沙波波长计算公式可较好地应用于波浪底摩阻系数的计算。     

长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究 ——幕式再悬浮和底形运动

在长江口区主航槽中利用悬浮物浓度测定系统(ACP-1)第一次获得了近底紊流“猝发”(burst)和床面泥沙喷发(ejection)的连续时间序列可视图像和数据，同时利用高分辨率流速仪以及旁侧声纳、热敏式双频测深仪等手段获得了大量底形沙波的实测图像和数据。这些图像和数据结果表明长江口南支-南港之间粗粉砂至极细砂在涨落潮流的作用下，呈现静止——细颗粒泥沙起、悬扬——粗颗粒喷发运移的同时进行大尺度底形运动—细颗粒起扬、悬扬—静止的输移循环模式，即当U＜50cm/s，泥沙在底床上基本不运动；50cm/s＜U＜65cm/s，小尺度紊流猝发发生，泥沙开始小尺度起扬，并有幕式猝发现象；65cm/s＜U＜100cm/s时，小尺度紊流猝发强度和持续宽度急剧增大，床面细颗粒泥沙开始喷发导致床面开始冲淤，形成中小尺度沙波；100cm/s＜U＜110cm/s时，大尺度紊流形成，床面粗颗粒泥沙开始喷发；到了U＞110cm/s时，宏观紊流规模更大，床面粗颗粒泥沙的喷发强度和持续宽度急剧增大，导致床面形成大尺度沙波运动。由于U＞110cm/s的落潮流速远远大于涨潮流速，且落潮最大流速达137cm/s，落急(流速＞100cm/s)历时(3小时16分)长，因而发育了大量陡坡朝向下游的大尺度底形沙波，尤其是波长＞10m的大尺度沙波都是朝向落潮流方向；而涨潮最大流速仅113cm/s，涨急(流速＞100cm/s)历时仅约40分钟，因而没有发育朝向上游方向的沙波。     

随机波浪边界层的数值模拟与分析

该文基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和k-ω两方程紊流模型建立了随机波浪边界层数学模型,模拟了粗糙底床上方的随机波浪边界层流速、床面剪切应力和紊动能量分布,计算结果与实测数据吻合良好。探讨了随机波浪边界层水动力特性,发现随机波浪时间序列中各个子波的紊动能量近似随该子波均方根自由振荡速度平方的增大而线性增大,但各个子波的紊动能量还受到上一个子波紊动能量传递的影响,体现了随机波浪与规则波浪的区别。整个随机波浪时间序列的有效摩阻系数和单个子波的摩阻系数均与前人实验数据和经验公式较为一致。     

明渠渠底糙率突变对紊流摩阻流速及壁面切应力影响的试验分析

通过激光测速仪,对壁面糙率突变时的明渠紊流进行试验,测量了糙率突变不同水深情况下明渠紊流的纵向时均流速和脉动流速。通过实测资料分析不同糙率突变和不同水深的紊流摩阻流速变化情况和水流的壁面切应力的特点。     

人工糙率河床中的水力阻力问题

在高水头溢流坝、岸边明渠和泄洪洞的设计、施工中,当流速很高时明渠中水力阻力问题很突出。目前,认为明渠中均匀流的水力阻力与压力管道中的水力阻力(在水力半径相同时)之间无大差别。计算水力摩阻系数时(或计算谢才系数时)可采用同一的公式。在     

壅水条件下水流阻力试验研究

壅水条件下的水流阻力及输沙特性,在水利工程的应用中占有十分重要的位置。对壅水条件下河道开展概化水槽试验,采用声学多普勒测速仪ADV对水流流速进行了测量,并对壅水条件下水流阻力和床面切应力等进行了分析。结果表明壅水条件下,水流流速沿垂线分布较均匀流条件下更加均匀,当壅水程度越大时,水流流速沿垂线分布越均匀,且流速分布大致上仍服从对数率分布;壅水条件下,随着水深的增大,摩阻流速不断减小;壅水条件下河道水流阻力系数随着非均匀系数及水力半径的增大而增大;引入壅水程度指标,并拟合得到了床面切应力随壅水程度指标的变化关系式。成果可为壅水条件下水流结构特征及输沙规律的研究提供参考。     

粗糙床面振荡紊流边界层运动的三维格子玻尔兹曼模拟

该文采用格子玻尔兹曼(LB)方法建立了紧密排列颗粒粗糙床面振荡紊流边界层模拟的三维数学模型。收集粗糙床面波浪水槽实验结果,对水槽实验条件下的振荡流边界层进行模拟,模拟得到的平均流速、紊动特性、等效粗糙高度、摩阻系数和边界层厚度等与实验结果进行了全面对比,并对三维涡旋结构进行了分析。结果表明,所建立的LB数学模型可以合理模拟粗糙床面振荡流边界层流动,能够反映三维涡旋特性,可进一步应用于粗糙床面振荡流紊动特性以及床面粗糙参数的研究。     

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。     

悬移质泥沙运动相似条件探讨

根据紊流扩散理论所得的三维非恒定悬移质泥沙运动方程,利用相似理论,对悬移质泥沙悬移相似条件进行了初步探讨,结果表明,悬浮相似条件和沉降相似条件相同。众多学者之所以推导出与此条件不相容的悬浮相似条件,问题的关键在于泥沙紊动扩散系数比尺α_εSy 的求解中,引用了摩阻流速、对数流速分布和卡门 常数比尺这3个在变态模型中互不相容的等式条件。     

风应力对水流运动及摩阻特性的影响

该文采用三维数值模型研究风应力对水流运动和摩阻特性的影响。首先通过试验数据验证了数值模型对风生流结果的合理性;然后通过平底水槽的数值试验,研究了风应力的变化,尤其是在风向顺流和风向逆流条件下,对于定常水流涡黏系数分布、流速分布、雷诺切应力分布以及底部摩阻的影响。发现传统使用广泛的涡黏系数抛物线分布在风向顺流条件下基本与紊流模型结果吻合,而在风向逆流条件下,尤其是风应力较小情况下,抛物线分布与紊流模型结果有相当的偏差。流速分布则和传统双对数分布基本吻合,但须考虑风生流和定常流之间的相互作用,而不能简单看成两者间的线性叠加。雷诺切应力基本符合线性分布。底部摩阻受风生底流的影响,在平底条件下,风向顺流会减小底部摩阻,而风向逆流则会增加底部摩阻;但在非平底条件下,只有在较深处规律和平底类似,而在较浅处,风向顺流也会增加底部摩阻。     

沙波迎流面泥沙起动流速研究

利用概化沙波模型,研究了不同坡度、粒径及位置情况下的泥沙起动流速,根据实测数据指出沙波泥沙起动流速特征,并分析比较了与平坡起动的差别。通过对泥沙颗粒的受力分析,提出水流冲击力,并利用沙波垂线流速分布公式进行流速换算,建立了沙波泥沙起动流速计算公式。结果表明:在相同水流条件下,因沙波地形影响,迎流面泥沙起动流速值小于平坡;沙波不同位置处的泥沙起动流速非定值,随着水平位置而变化;坡度和粒径对再附点附近泥沙起动流速影响较小。通过验证比较表明,公式计算结果与实测资料基本一致,适用于描述沙波迎流面泥沙起动规律,可反映出沙波坡度和水平位置的影响。     

近床面区挟沙气流流速垂线分布特征

以测试参数较为齐全的挟沙气流风洞实验资料为基础，结合已有各家资料重点对近床面区挟沙气流流速垂线分布进行了系统的分析。在对近床面区沙粒跃移层内气流剪切应力分布的理论分析基础上，指出了该区的剪切应力由沙粒临界起动风速、沙粒垂直速度的垂线变化和输沙量垂线分布三者决定，并进一步导出了近床面区的挟沙气流流速垂线分布廓线方程，由该方程计算得到的结果与实测资料吻合很好，此外，研究还表明，Bagnold提出的不同风力条件下挟沙气流流速廓线聚焦于一点的观点基于正确，但这一点不宜作为跃移层内外风速廓线的分界点，实际失发界点高度是沙粒跃移层外气流摩阻速度平方的0．015倍；Owen提出的跃移层外层速廓线方程基本合理，但其中有效粗糙度公式中的系数C取值为0．04时更符合实测资料；来流速度相同的情况下，挟沙气流的摩阻速度大于清洁气流的摩阻速度。     

明渠时均流速分布公式对比及影响因素分析

本文分析比较了明渠时均流速分布的对数律和尾流律公式，需要3个特定参数的尾流律与由2个参数确定的对数律相比没有优越性。深入分析了将尾流律应用于边界层流动和明渠流动时存在的差别。讨论了理论床面和最大流速的位置，认为爱因斯坦和钱宁确定理论床面位置的方法是合适的。在大量试验的基础上，得出了最大流速相对位置a／h与宽探比B／h的关系式。     

黄河下游"多来多排"的输沙机理与不淤河槽设计

冲积河道的水力几何形态在不同流量时的变化，是床面形态由沙纹逐渐进入高输沙动平整床面，引起的动床阻力变化的结果。当床面形态处于不稳定状态时，河床阻力的变化使水流处于不稳定状态，形成假潮。床面处于高输沙动平整状态时，床面上存在着强烈的底沙运动，较床沙细得多的悬沙不会在河床上落淤，故形成了悬沙“多来多排”的输沙特性。因此，床面进入高输沙动平整的水流条件是控制河床不淤的临界条件。在黄河下游床沙组成的条件下，其流速1．8～2．0m／s可作为不淤设计参数，在比降一定的条件下，可设计出不同输沙流量时的河槽宽度。     

爱因斯坦推移质输沙率统计公式的研究

H.A.爱因斯坦于1950年建立的均匀沙推移质输沙率统计公式,至今仍受到普遍重视,但在理论上、应用上和计算方法上均有待改进之处,如公式推导过程比较复杂,假定床面泥沙起动时间与水流条件无关。王士强用沙粒摩阻流速代替静水沉速,试图改进,但理论上尚无阐明。本文依据床沙运动实际及其力学分析,用底部平均流速代替静水沉速,推得床沙起动时间,并对上举力的分布作了一些分析,最后列出了统计公式的计算程序。