坡面植被水流水动力学特性研究

本实验为人工水草模拟植被覆盖条件下的坡面流水动力学特性研究,以水力学和流体力学基本理论为依据,通过室内定床阻力模拟放水实验,定量的研究了植被覆盖度为9.3%(2500簇/m2)的工况下,不同坡度和流量组合对植被水流各水动力学参数的影响。结果表明:坡面植被水流平均流速随坡度和流量的增大呈递增趋势,可用线性函数或幂函数关系模拟,且线性关系优于幂函数关系;植被坡面流平均水深与流量和坡度之间也存在着显著的线性关系和幂函数关系;植被坡面流的佛汝德数随流量的增加而减小、随坡度的增加而增大,并呈现出一定的幂函数关系,但佛汝德数主要受坡度的控制,流量对佛汝德数的影响很小;阻力系数随雷诺数的变化规律呈单驼峰形式,本实验条件下,在雷诺数为1500~2000时达到最大值,当雷诺数大于2000时,随雷诺数的增加阻力系数反而减小,最后逐渐趋于稳定,可见两者之间并非呈简单的递增或递减关系。     

坡面植被水流水动力学特性研究北大核心CSCD

本实验为人工水草模拟植被覆盖条件下的坡面流水动力学特性研究,以水力学和流体力学基本理论为依据,通过室内定床阻力模拟放水实验,定量的研究了植被覆盖度为9．3％（2500簇／m2）的工况下,不同坡度和流量组合对植被水流各水动力学参数的影响。结果表明：坡面植被水流平均流速随坡度和流量的增大呈递增趋势,可用线性函数或幂函数关系模拟,且线性关系优于幂函数关系;植被坡面流平均水深与流量和坡度之间也存在着显著的线性关系和幂函数关系;植被坡面流的佛汝德数随流量的增加而减小、随坡度的增加而增大,并呈现出一定的幂函数关系,但佛汝德数主要受坡度的控制,流量对佛汝德数的影响很小;阻力系数随雷诺数的变化规律呈单驼峰形式,本实验条件下,在雷诺数为1500～2000时达到最大值,当雷诺数大于2000时,随雷诺数的增加阻力系数反而减小,最后逐渐趋于稳定,可见两者之间并非呈简单的递增或递减关系。     

细沟侵蚀下的坡面水动力学特性研究

研究细沟水流水动力学特性,是了解和掌握细沟侵蚀机理的关键,也是建立土壤侵蚀预报模型的基础。本文在室内放水冲刷试验基础上,对不同土壤容重(1.2、1.35、1.5 g/cm~3)、流量(2、4、8、16 L/min)、坡度(5°、10°、15°、20°、25°)条件下的细沟水流水动力学特性进行了研究,结果表明:流量和坡度都是影响水流流速的重要因素,流速可以用坡度和流量的幂函数来表示,且坡度是影响流速的主要原因;土壤容重对流速有一定影响,且随坡度的变化对流速的影响存在差异;水流雷诺数变化范围在248~1932之间,土壤容重和坡度对雷诺数均没有影响,雷诺数主要与流量有关,且随流量的增大呈线性关系;细沟水流弗劳德数在各试验条件下基本大于1,属急流状态,土壤容重对弗劳德数的影响类似于流速,随坡度的不同有一定差异;水流阻力系数变化范围为0.04~0.955之间,随坡度和流量的增大呈先增大后减小的趋势,且受土壤容重影响明显,在低坡和陡坡下都随土壤容重增大而减小。     

赣北地区工程堆积体侵蚀水动力机理研究北大核心CSCD

工程建设过程中形成的堆积体具有独特的土壤组成及特殊的堆积形态,堆积体表面土壤结构体缺失、土质松散、植物根系和有机质缺乏以及特殊的坡面构型等,导致其土壤侵蚀过程与传统坡面有着极大差异性。本研究采用人工降雨试验,设计10%、20%、30%三个砾石质量百分数和1.0 mm/min、1.5 mm/min、2.0 mm/min、2.5mm/min四个降雨强度,对坡顶平台有车碾压型工程堆积体薄层水流侵蚀动力学过程以及机理进行研究,结果表明:工程堆积体土壤剥蚀率是降雨强度和砾石质量百分数的二元线性方程(R2=0.919),可以根据堆积体的砾石质量百分数和所经历的降雨强度来预测土壤的剥蚀率。水流剪切应力、水流功率、单位水流功率和断面单位能与土壤剥蚀率均有一定相关性,水流功率是试验条件下用来描述堆积体土壤剥蚀率最好的水力参数,可以用水流功率来描述工程堆积体侵蚀动力过程。坡顶平台有车碾压型工程堆积体坡顶部的平台对堆积体侵蚀有一定的影响,通过分析发现平台对整个堆积体剥蚀率的贡献为5.0×10-6 kg/(m2·s),其大小与平台面积有关。     

赣北地区工程堆积体侵蚀水动力机理研究

工程建设过程中形成的堆积体具有独特的土壤组成及特殊的堆积形态,堆积体表面土壤结构体缺失、土质松散、植物根系和有机质缺乏以及特殊的坡面构型等,导致其土壤侵蚀过程与传统坡面有着极大差异性。本研究采用人工降雨试验,设计10%、20%、30%三个砾石质量百分数和1.0 mm/min、1.5 mm/min、2.0 mm/min、2.5mm/min四个降雨强度,对坡顶平台有车碾压型工程堆积体薄层水流侵蚀动力学过程以及机理进行研究,结果表明:工程堆积体土壤剥蚀率是降雨强度和砾石质量百分数的二元线性方程(R2=0.919),可以根据堆积体的砾石质量百分数和所经历的降雨强度来预测土壤的剥蚀率。水流剪切应力、水流功率、单位水流功率和断面单位能与土壤剥蚀率均有一定相关性,水流功率是试验条件下用来描述堆积体土壤剥蚀率最好的水力参数,可以用水流功率来描述工程堆积体侵蚀动力过程。坡顶平台有车碾压型工程堆积体坡顶部的平台对堆积体侵蚀有一定的影响,通过分析发现平台对整个堆积体剥蚀率的贡献为5.0×10-6 kg/(m2·s),其大小与平台面积有关。     

潮流发电试验场水动力特性数学模型研究

以普陀山岛–葫芦岛潮流能试验场为研究区域,三维、二维数学模型相结合,模拟分析了发电装置对试验场局部近场、大范围远场水动力的影响情况。提出一种基于能量方程的装置概化方法,即采用流场上下游沿程阻力损失量化装置对水流影响,并对概化后各组合等效与综合糙率进行回归分析,得到来流流速与综合糙率的函数关系。建立三维局部流场模型,利用计算流体动力学(CFD)软件模拟分析了装置在7种转速-流速组合下的局部流场分布。采用有限元法(FEM)离散二维浅水环流方程,建立二维潮流数学模型,并将综合糙率函数关系代入,通过修改装置所在网格糙率来模拟装置产生的影响。结果表明,全体装置布设时某个涨落潮历时下、全潮过程下,装置对流场的影响范围与潮流流速、装置泊位附近地形有关,离装置越远,装置对流场影响越小。整体上,装置对远场流速影响程度较小,流速变化量最小在2%左右,最大不超过布设前流速8%。     

明渠自掺气水流中气泡尺寸和个数的分布

针对目前有关明渠自掺气水流中气泡尺寸和个数分布的实测资料极少的现状,本文采用针式掺气流速仪在坡度为45°的陡槽上对三种流量下自掺气水流沿程四个不同断面中部的气泡尺寸、个数进行了测量和统计分析.三种流量下,气泡的最小弦长、最大弦长、平均弦长自槽底向上都呈增大趋势,其中最小弦长存在一上限值,靠近槽底大慨10%水深范围内实测的气泡平均弦长小于1.5mm.距槽底1mm处,个数比例≥5%的气泡弦长≤1mm,而个数份额≥10%的气泡弦长≤0.5mm.气泡的弦长不同,其个数份额沿水深的变化趋势不同,弦长在0.4mm～2mm范围内的气泡的个数比例在0.09～0.15倍水深处(由槽底向上算起)达到最大值,而弦长在2mm～10mm范围内的气泡的个数比例在0.7～0.85倍水深处(由槽底向上算起)达到最大值.     

考虑表面张力作用的坡面流运动方程

坡面薄层流表面张力为主要作用力,必须考虑其作用。基于波动理论,得出均匀流条件下受表面张力作用的表面波的等效阻力。考虑表面波等效阻力、波流共存时底部剪切力、雨滴打击力、重力,分析得出了坡面恒定均匀流运动方程。针对降雨及下渗对坡面流的影响,在假设水深沿表面波传播方向变化缓慢,降雨对波动的影响可忽略的基础上,建立了坡面流能量守恒微分表达式。该研究为坡面流运动特性试验研究及理论分析奠定了一定基础。     

黄土区工程堆积体石砾对流速及产沙影响试验研究

由于堆积松散、颗粒粗、组成物质复杂、坡度大等特点,生产建设项目工程堆积体侵蚀过程与农地、撂荒地相比有较大区别,是典型的人为加速侵蚀。在各类生产建设项目工程堆积体野外调查基础上,室内概化堆积体代表性下垫面,通过人工模拟降雨试验研究堆积体中石砾对流速及产沙影响。结果表明:(1)不同石砾含量下垫面流速在产流3 min内迅速递增,随后趋于相对稳定。坡度小于25°时,含石砾坡面流速小于纯土体,此时石砾存在增加径流弯曲度,阻碍径流流动,平均稳定流速与雨强及石砾含量呈幂函数关系;而坡度大于25°时流速与雨强及石砾含量呈二元线性关系。(2)产沙率在产流前12 min呈波动性递减,随后趋于相对稳定,初期产沙率是稳定期的1.7~3.1倍。雨强1.5 mm/min较1.0 mm/min的平均产沙率增加82.7%~117.3%。坡度对堆积体产沙影响存在一个阈值,在25°左右时产沙率最大,可达其他坡度下的1.3~1.7倍。在初期及稳定期的产沙率均表现为纯土体大于含石砾坡面,可增加0.6%~28.7%,各场次降雨下产沙峰值主要集中在产流开始后的前3 min内。(3)在侵蚀初期、稳定期及整个侵蚀过程的平均产沙率均与流速呈显著相关。随雨强增大1.5倍,次降雨侵蚀量可增加74.0%~95.9%,且总体表现为纯土体侵蚀量大于含石砾坡面,产流前12 min侵蚀量可占次降雨侵蚀量的38.3%~50.7%,因此,在进行堆积体水土流失防治中,尤其要注重初期的措施配置,以减免堆积体严重侵蚀。     

植被覆盖度对坡面流相对水动力学特性的影响

为深入研究植被的水土保持效益,本文通过5个覆盖度,6个坡度和7个流量的组合条件下室内放水试验,研究相对流速,相对水深,相对弗劳德数和相对阻力系数等相对水动力学参数,结果表明:随植被覆盖度和流量增加,相对流速和相对水深均增加,植被减流效果增强,覆盖度分界点为4.650%,且植被覆盖度对相对流速的影响与流量有关,而坡度对二者影响甚微;相对弗劳德数随植被覆盖度和流量增加而增大,植被削弱坡面流侵蚀能力越强,覆盖度分界点与流速一致;相对阻力系数随相对水深的增加呈线性增大。本文为植被措施的选择和植被减水减沙效益评估提供参考。     

矩形微管内流动特性的实验研究

以极性液体蒸馏水、无水乙醇和非极性液体R113作为实验工质,流过相对粗糙度1.40%、水力直径170.37 mm,相应高宽比为0.66的由晶体密封生长所形成的矩形紫铜微管,测量微管进出口参数及微管内流体流量,从而获得雷诺数Re与摩擦阻力系数f、Re与Poiseuille数Po、Re与压力梯度Dp/DL的关系。实验结果表明：在43.17 < Re < 4 091.5的实验范围内,流体的极性对微管流动阻力特性没有影响;同时实验结果表明对于粗糙度为1.40%的矩形紫铜微管,内壁面粗糙度对层流区摩擦阻力特性影响不大：当Re小于1 600~1 800时,所有微管内的流动阻力特性与经典理论预测值接近;当Re =1 600~1 800时,微管的f值开始偏离理论预测值,流体发生转捩。     

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。     

Effect of Discharge Electrode Parameters on the Flow Velocity Profile of the Wire?rod Type Electrohydrodynamic Gas Pump Exit

Experimental investigation has been conducted to study the effects of corona wire diameter, pipe length, and corona polarity on outlet flow velocity distribution profile of a wire-rod type electrohydrodynamic (EHD) gas pump. Upon applying negative or positive dc high voltage between a wire electrode (outer diameter (o.d.) 60 μm, 200 μm, or 300 μm) and a rod electrode (o.d. 3 mm) in atmospheric air, corona discharge occurs and EHD gas flow is generated in the direction from the wire electrode to the rod electrode through a cylindrical pipe (inner diameter (i.d.) 20 mm). For both polarities, the discharge current and average flow velocity increase monotonically on increasing the applied voltage before the onset of spark discharge. Using wire electrodes with a smaller diameter, stable corona discharge between corona onset and spark onset is generated in a wider voltage range, and the discharge current becomes larger, resulting in a higher flow velocity. The maximum average flow velocity of 2.0 m/s, corresponding to a flow rate of 38 l/min, was achieved with a wire of diameter 60 μm by applying a voltage of ?16 kV.     

基于PIV技术的明槽交汇区流场试验研究

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、支流交汇流场的研究具有重要意义。研究采用能突破空间单点流速测量局限的PIV技术,观测不同汇流比条件下非对称型交汇明槽的三维水流结构,分析交汇区流场的演变规律。试验结果表明,交汇口上游的水面比降随汇流比的增大而减小,交汇口处及下游合流掺混区水面比降随汇流比的增大而增大。交汇口上游各断面垂线时均流速随汇流比的增大而增大,各断面时均流速随汇流比的增加而受到顶托效应的影响越大,交汇口各断面垂线的时均流速随汇流比的减小而减小,分离区随汇流比的减小而增加。PIV技术能良好的观测交汇区水流结构,可应用于明槽交汇区的流场试验研究。     

气隙取气汽轮发电机转子全隐式取风斗取风特性数值研究

为提高全隐式取风斗取风能力，在分析全隐式取风斗结构对其取风性能影响的基础上，采用动态模型对全隐式取风斗取风特性进行了较为全面的数值研究。通过对55个不同结构全隐式取风斗流道内流场的分析与取风量的比较，得到了结构参数入流角a、b 和孔深d对全隐式取风斗取风性能的影响规律：在a=20°~55°、b=60°~80°、d=8~15 mm范围内，随a、b、d分别增大，取风斗取风性能均为先升高后降低，即a、b 和d均存在最佳值与较优范围；其中a=37°、 b=65°、d=13 mm时取风性能最佳，取风性能较优的结构设计推荐范围在a=30°~45°、b=63°~70°和d=11~15 mm；并根据相对取风量平均极差，指出在所研究的结构参数变化范围内，a对全隐式取风斗取风性能影响最大(19.8%)，d次之(15.5%)，b最小(8.8%)。     

砾石对关中塿土工程堆积体产流产沙的影响

为研究砾石对关中平原地区工程堆积体边坡径流产沙规律，采用室内人工模拟降雨试验方法，以关中塿土土质（无砾石）堆积体边坡为对照，研究1.0、1.5、2.0和2.5 mm?min-1雨强下10%、20%和30%砾石质量分数工程堆积体边坡径流产沙特征及水沙关系。结果表明：①径流率、流速与砾石质量分数相关性均不显著（P > 0.05），与雨强显著相关（P < 0.05）。②1.0 ~ 2.5 mm?min-1雨强时，次降雨产沙量随砾石质量分数增加呈显著的幂函数形式减小；各砾石质量分数堆积体产沙量较土质堆积体分别减少17.1% ~ 67.5%、13.8% ~ 81.1%和25.5% ~ 92.0%。③雨强< 2.5 mm?min-1时，水沙累积曲线由极显著线性特征转变为极显著幂函数形式（P < 0.01）。结果可为关中地区工程堆积体水土流失预测和防治提供理论依据。     

粉煤灰小球协同低温等离子体处理汽车尾气

针对汽车尾气防治,自制了介质阻挡放电催化反应器,并以改性粉煤灰小球为催化剂对汽油机尾气进行处理,研究了脉冲电压、脉冲频率、放电间隙及气体流量qV等对NO、HC和CO去除率η的影响。结果表明:NO、HC和CO的η随脉冲电压、脉冲频率的增加而增加,随qV的增加而减小。当放电间隙G在2.5~3.5 mm变化时,3种污染物的η变化不大;但G增大到4 mm时,污染物η明显下降。当脉冲电压为20 kV、脉冲频率为15 kHz、G=3 mm、qV=0.05 m3/h,并以改性粉煤灰小球为催化剂时,NO、HC和CO的η分别能达到84.6%、87.7%和54.5%,比相同条件下不填充时分别增加了12.6%、7.2%和6.2%。研究表明:改性粉煤灰小球作为催化剂,能显著提高汽油机尾气中污染物的η。研究为等离子体催化技术提供了一种新型催化剂。     

预应力钢筒混凝土管（PCCP）的阻力系数与粗糙度研究

在长距离输水工程的设计中,水力阻力系数的计算选取是一个关键因素。由于PCCP在我国起步较晚,关于其阻力系数及糙率的研究较少,特别是超大口径PCCP,采用传统水力学试验方法在室内测量其阻力系数有较大困难。本文提出了一种新方法：采用表面形貌仪测量PCCP内壁的表面粗糙度,并以水力学试验为依据,获得当量粗糙度及修正系数,据此可以进行Re已知情况下的阻力系数计算,并推算出水流进入阻力平方区的糙率值,从而避免了超大口径PCCP进行室内水力学试验的不可行性。研究得出,南水北调中线工程DN4000的PCCP糙率值约为0.00979～0.01132,可为南水北调中线京石段应急供水工程的运行提供参考;综合考虑多种因素,认为国产PCCP的糙率范围约在0.010～0.0125之间。利用本文所提出的方法,可方便获得任意管径PCCP的阻力系数。