交汇河段水沙运动和冲淤特性的试验研究

本文叙述了交汇河段水沙运动特性的模型和水槽试验研究的成果。作者曾利用嘉陵江和长江交汇河段模型研究天然情况和水库运用情况下悬移质水沙运动特性,以及利用具有不同交汇角的汇流水槽研究推移质水沙运动特性。文中指出汇流比、交汇角、输沙率比以及下游水位等因素对河段的水沙运动都具有影响,其中干支流流量和汇流比的不同组合起着关键作用。河道模型试验表明:水位的变化规律是干流在固定流量下水位随汇流比的增加而增加,支流随汇流比的增加而减小;冲淤特性是汇流比大时干流边滩淤积多而支流口门段冲刷,汇流比小时反之。汇流水糟试验表明:交汇口上游干流段水面比降随交汇角的增大而变缓;相同汇流比情况下,干支流河段淤积量随交汇角的增加而增加。     

明槽交汇区污染物浓度场分布规律研究

明槽交汇水流存在于很多水力系统中，交汇区水流结构十分复杂，对干、支流交汇浓度场的研究具有重要意义。本文采用能突破空间单点流速测量局限的PIV技术，观测在不同交汇角及污染物浓度等条件下非对称型交汇明槽的污染物扩散情况，分析污染物浓度场的分布规律。试验结果表明，支槽来水刚汇入主槽水体时，交汇区的表层污染物的扩散较其他水平面更为均匀，但随着两种水体不断混合，其他水平面的污染物比表层污染物混合得更加均匀。交汇角越小，使得支流中污染物进入主流后在交汇口下游支流侧形成较长的污染带；相反交汇角越大，形成的污染带在横向偏移上越突出；污染物浓度越大也会使得污染带变长。污染物浓度的变化对混合层的位置及宽度影响较大。PIV技术能良好地观测交汇区污染物扩散规律，可应用于明槽交汇区的浓度场试验研究。     

黄河上游高含沙水流交汇区河床形态及冲淤变化规律

黄河上游交汇区为典型的高含沙水流交汇区,支流高含沙洪水往往引起剧烈的河床形态调整及冲淤变化。利用室内模型实验、野外观测资料,研究了支流高含沙洪水入汇干流后,交汇区变化过程及冲淤计算方法。研究表明,交汇区河床形态包括壅水区淤积沙坝、分离区沙洲、输水输沙主槽及分离区以下河段的沙洲等基本元素。进入交汇口上游壅水区的泥沙全部落淤,淤积量随高含沙洪水沙量的增加呈线性线增加;提出的交汇口以下河段的泥沙淤积模式,揭示了泥沙淤积的主要影响因素为支流高含沙洪水沙量、汇流比、恢复饱和系数等,支流高含沙洪水沙量的作用更为明显,该模式可以定量描述交汇口以下河段的泥沙淤积。支流高含沙洪水形成的淤积沙洲的冲刷,取决于干流洪水流量及持续时间。黄河上游交汇区的淤积沙洲,较优的冲刷流量为2000 m3/s左右,冲刷历时为10天左右。     

斜向射流入水垫塘淹没射流区的紊动特性

采用粒子成像测速技术(PIV),获得了水垫塘冲击射流全域瞬时精细流场,在此基础上,对淹没射流区的流速分布规律和水流紊动特征进行了系统研究。结果表明:淹没射流区射流横向断面的流速、紊动强度分布呈自相似分布规律;在射流纵向,射流轴线最大流速随着流程增加而呈-1次幂规律减小,射流半扩展宽度和紊动强度则随流程增加而线性增大;并提出了描述淹没射流区射流横向断面流速、紊动强度分布规律的方程,同时得到淹没射流区射流纵向上流速、半扩展宽度和紊动强度沿流程变化的计算公式。     

明渠水流自掺气对断面平均流速的影响

建立了求解明渠自掺气水流断面平均流速的理论公式，计算表明当气泡扩散到槽底，断面平均流速就增大，否则，掺气对断面平均流速影响不大；对断面平均流速的理论公式进行分析，从理论上说明了自掺气水流的速度分布必然存在一个自底面向水面方向不断增大，然后再逐渐减小的过程。分析了掺气对流速影响的原因，认为掺气水流断面平均流速增大主要是由于气泡进入了剪切层，导致掺气水流抗剪强度降低所致，而流速分布在上区减小是由于掺气使气体边界对速度的影响深入到了水流内部所致。     

重庆河段水沙分析系统的开发与应用

结合先进的可视化编程技术和数据库技术,建立了重庆河段水沙分析系统。实现了重庆河段水沙数据的综合存储管理、信息检索查询、河段冲淤计算等功能,系统的建立为水沙规律分析提供了高效的研究平台。应用开发的水沙分析系统,对嘉陵江入汇口处玄坛庙水位站的水位流量关系和上游鹅公岩-玄坛庙水面比降进行统计分析,研究了不同汇流比情况下水位流量关系及上游水面比降的变化规律。     

正弦派生曲线弯道水流结构特征实验研究

探究窄深型弯曲河段三维水流结构,使用声学多普勒流速仪（ADV）对正弦派生弯道水槽中40个断面12160个测点三维水流数据进行加密测量研究,研究结果表明：弯曲岸壁形态改变了水流结构特征,曲率为0断面附近区域为水流动力轴线在左右两岸摆动的过渡区;在左右两岸侧,纵向流速沿程波动分布,波动周期相同相位相差180°,且在凹岸处存在小流速区;各断面存在中心区近底主环流和近岸近水面反向小环流,部分断面近岸近底还出现与中心环流同向的小环流,环流强度最小值出现在各弯段弯顶附近。实验数据可为连续多个弯道数值模拟提供数据验证参考。     

黄河大柳树河段水流运动与河床冲淤特性精细实测数据初析

拟建的大柳树水利枢纽坝址位于黄河上游干流黑山峡峡谷出口处,控制黄河流域总面积的33.6%,总径流量的58%,总输沙量的10%,水多沙少,水资源开发条件优越。本文利用声学多普勒流速剖面仪、RTK和激光粒度分析仪等先进测量仪器,对黄河大柳树河段连续弯道中19个典型断面的三维流速、水深、河床高程、岸边水位、粒径等进行了实测。对黄河大柳树河段建库前的水流运动、泥沙输移、河床高程等问题进行研究。分析了各断面垂线平均流速、泥沙粒径和河床高程变化情况,并探讨了天然弯曲河道水流运动与河床冲淤变化之间的关系。结果表明,利用声学多普勒流速剖面仪能较好的测量天然河道流场、河床高程等,其测量成果可为科学管理、工程建设和运行大柳树水利枢纽提供基本资料。     

三峡水库库区上段水流特性分析

三峡水库的蓄水运用,使其河道型库区内水流有了明显的壅水型非均匀流特征,其流态的改变显著影响着泥沙输移和洪水传播特性。采取专门实测资料,分析库区上段的三维流速及紊动强度沿垂线的分布特征。结果表明:三峡水库上段纵向流速沿垂线分布基本符合对数流速分布公式,横向流速分布受地形影响较大,垂向流速明显,且方向一般向下;沿程各断面纵向、横向及垂向水流相对紊动强度分布比较均匀,尤其是垂向水流紊动强度沿程随着壅水程度的增大有增大的趋势。壅水型非均匀流在垂向流速及垂向紊动强度的分布特点,将给库区泥沙运动、尤其是悬移质含沙量沿垂线分布带来明显影响。     

孔兑入黄数值模拟及分析

本文利用平面二维水沙数学模型对十大孔兑之一的西柳沟入黄进行模拟并分析。结果表明:在流场方面,高含沙洪水入汇后,壅水区水位升高,流速先降低后升高,不同点的流速升高不同步;河床在支流入汇口处存在突降,形成高流速区,经高流速区后流速迅速降低,泥沙淤落;相较于低含沙水流入汇,高含沙水流入汇的回流区外形更狭长,水流结构更复杂;低含沙水流入汇来沙全部输向下游,高含沙水流入汇则会有部分泥沙向上游输送;在入汇口上下游,上沙坝的形成过程是从两岸向中间发展最终合拢并堵塞主河槽,下沙坝则同时淤升,左岸抬升较为均匀,右岸抬升先快后慢,沙坝最终沿右岸延伸;在实际当中,交汇区的流场及河床变形与洪水过程密切相关。     

涡轮叶栅流场的PIV测量实例

详细介绍了PIV的工作原理、数据处理流程和使用要点。针对涡轮内部复杂的流动特性,应用具有较高空间分辨率的非接触式瞬态速度的PIV测量技术,获得了较清晰完整的沿叶高平面和叶栅出口速度场的瞬时速度场信息,并据此分析了涡轮静叶出口二次流的流动特性。叶栅实验中将模拟动叶的圆柱列每次沿周向方向移动1/4节距,测量沿叶高平面的速度场。研究发现,前排圆柱尾迹进入叶栅流道不同,对叶栅内部流场气动效率影响巨大;同时由压力面向吸力面运动的二次涡(低能流体,耗能过程)逐渐向后传递、扩张,并在吸力面卷起、堆积,使吸力面附面层骤然增厚,并引起沿叶高总压损失系数和沿叶高出口气流角的剧烈变化。     

旋转射流喷嘴内旋流特性的PIV实验分析

利用二维粒子图像测速技术(PIV)对旋转水射流喷嘴内部流场进行了测量,将喷嘴入流条件分为入流流量比(切向流量与轴向流量之比)以及入流总流量两个因素,分析了两者对喷嘴出口旋流结构、切向速度分布以及喷嘴出口旋流数的影响.实验结果表明,入流流量比对喷嘴出口的切向速度大小及其径向分布都有影响,而入流总流量只影响其大小;入流流量比和入流总流量的增加均可使喷嘴出口的旋转流动增强,但只有入流流量比的增加可使喷嘴出口旋流数增加,而旋流数是喷嘴加旋效果的检验标准.     

蒸汽冷却器采用分流孔支撑板的流场特性研究

随着机组蒸汽参数的提高,蒸汽冷却器中蒸汽流速越来越大,对管束的冲刷较严重,且易诱导管束振动导致管束爆管。研究了一种分流孔支撑板结构,通过分流孔支撑板降低蒸汽冲刷管束的流速,使管束区流体分布均匀,减小流动死区。对此分别研究了分流孔通流面积、分流孔位置、支撑板弓形缺口率对管束区流场分布的影响,得到分流孔通流面积比27.8%~38.8%,分流孔位置距离管束区150 mm,支撑板弓形缺口率在40%~50%之间时,管束区流场分布较均匀,流体流动死区少,流体最大流速降幅达9.1%。     

台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速沿程变化研究

台阶溢洪道是目前热点的研究方向。台阶流速是重要的水力参数,为研究台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速水力特性规律,本文将将台阶式溢洪道流速与对应光滑溢洪道流速对比,引入台阶相对流速的概念。通过对26.57°、32.01°、38.66°和51.3°四组不同坡度,0.5m~2.0m不同台阶高度台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了阶顶过流断面平均流速、相对流速与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能率之间的关系。台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速与流程长度、单宽流量、相对消能率呈较为复杂的曲线关系,而相对流速和这些参数表现出良好的线性关系。单宽流量、台阶尺寸、坡度对相对流速有较大影响,单宽流量大,同一流程断面相对流速小;台阶高度高、坡度大,台阶相对流速大。相对流速和相对消能率也表现为良好线性关系,同一相对消能率,单宽流量越大,相对流速越小,对水流的阻力作用减弱。     

管道滞留气团运动特性PIV实验与数值模拟

为研究有压输水管道水流速度和局部高点的管道角度等因素对局部高点滞留气团运动特性的影响,搭建有压管道局部高点滞流气团实验平台,通过激光粒子测速系统（PIV）对局部高点处的流速进行测量;结合RSM湍流模型结合VOF多相流模型,构建局部高点气-液两相流体动力学模型进行数值模拟,分析管内流速、局部高点角度和气团体积对有压管道排气性能的影响。研究结果表明,随着水流速度增大,局部高点滞留气团呈现三种状态,即无气泡产生、气团产生气泡且部分被排出、气团一次性被排出;在其他条件相同时,若气体大于一定体积,一次性将气体携带出局部高点所需的水流速度增幅将减缓;局部高点角度越大,一次性将气体携带出局部高点所需的水流速度越大。     

含淹没刚性植被明渠水流特性的试验研究

水生刚性淹没植被大量存在于海洋、河流、水库、湖泊及运河中,对水流结构、河床冲淤、洪水演进及航运造成较大影响。为了准确掌握水生刚性淹没植被对水流的影响,需要对含植被水流问题进行系统的研究。本文利用三维激光多普勒测速仪等仪器对实验室水槽中四种排列（全覆盖平行排列、全覆盖交错排列、半覆盖平行排列、半覆盖交错排列）、四种淹没度下水生刚性淹没植被（用玻璃棒代替）的扰流特性进行了测量,并对实测结果进行了系列分析。试验结果表明,植被的密度、排列方式和淹没度对水面坡降、水头损失、水流流速和紊流强度都有明显的影响。     

大型深水库分层取水水温模型试验研究

本文采用水温物理模型,对锦屏一级水电站分层取水进行了模拟。从浮力相似准则出发,导出垂向温差换算关系,用以模拟库区水温分层流动。通过对上游来流分层加热,获得稳定的流速与水温边界,定量研究不同的运行工况下进水口下泄水温变化。研究结果表明,进水口取水运行将影响附近水温与流速场,在引水流量674m3/s情况下,影响范围可远达上游600m;在下泄水温偏低的3月～5月,进水口启用两层半叠梁门可使取水水温上升0.9℃～2.4℃,接近天然水温,以有利于下游生境恢复。     

矩形截面流化床内颗粒运动可视化试验研究

将高速摄影和颗粒图像测速(PIV)技术结合，以空气作为流化介质，0.1~0.65mm透明玻璃珠为床料，对不同截面风速下矩形截面流化床内过渡区和稀相区的颗粒速度分布进行了分析。试验表明：过渡区截面突变造成颗粒的运动流场发生偏转，颗粒横向运动明显增强；稀相区的出口效应和矩形截面的角落效应对截面上的颗粒速度分布有重要影响。越靠近出口颗粒的横向运动越剧烈。出口效应对颗粒横向速度分量的影响要大于对轴向速度分量的影响，横向速度分量是影响稀相区颗粒宏观运动规律的主要因素。截面风速增大，使得测试区域的颗粒速度分布的不均匀性加剧。为减小锅炉磨损，对截面突变区域要使用圆滑过渡，减少不规则区域的存在；选择合理的出口结构和截面风速，同时要考虑角落防磨。