明渠紊流与床面形态相互作用研究进展

结合国内外最新研究动态,从明渠紊流与床面形态相互作用的研究方法、明渠紊流特点、紊流对沙波形态的影响、床面形态对紊流的反作用等方面对明渠紊流与床面形态相互作用进行了综述。当前明渠紊流特性、二维沙波床面水沙运动特性等方面的研究已经取得丰富成果,但尚不能很好地解释天然河流中的水沙输移机理;由于试验测量方法的限制,复杂床面条件下的水沙相互作用研究在相当长时间内没有取得突破性的成果,亟需探索和引入无干扰、高精度的三维瞬态全场测量技术;床面几何形态、沙波发展演变方面的研究相对成熟,但床面的稳定机理尚存在分歧,理论模型和数学模型均不够完善,尤其沙波内部渗流与明渠紊流综合作用下的床面稳定性和泥沙运动特性研究还比较少,是今后进一步探索的方向,其成果可为揭示三维沙波床面紊流与泥沙相互作用机理提供必要的前提。     

沙波河床的明渠水流试验研究

对沙波上的水流运动进行分析研究,有助于研究沙波阻力及其输沙规律。鉴于沙波几何形态及运动过程的复杂性,故对处于静止状态下沙波进行观测,以反映沙波运动过程中某一时刻的流动特征。沙波形态采用几种概化模型,通过水槽试验,使用较为先进的二维激光流速仪,测量了流速在沿程及垂线上的分布,得到了有沙波条件下的明渠水流流速分布规律、理论床面及沙波当量糙度。     

不同重率轻质沙的床面形态和阻力的试验研究

本文通过动床水槽试验，研究了白色塑料沙，磺化塑料沙，电木粉三种轻质沙的床面冲淤形态和阻力特性，观察了各种材料床面冲淤形态的发展过程，并分析了各种材料沙波形态参数与水流参数的关系，从理论上分析了沙粒阻力和沙波阻力的影响因素，表明沙粒阻力与颗粒粒径和水面比降有关，沙波阻力与沙波的相对高度和沙波背水面的坡角成正比，而沙波背水面坡角的大小又只与颗粒几何性质有关，本文的试验资料和多家水槽试验资料的比较结果证     

冲积床面形态及阻力的水槽试验研究

本文通过水槽试验,对中径为0.22mm的床沙,比较系统地研究了冲积床面形态及阻力规律.试验中观察到沙垄消亡时的床面形状比较规则,沿程分布比较均匀.试验结果表明,同一沙粒阻力条件下,沙波相对高度及陡度随水深增大而减小,床面形态过渡区,水流阻力不仅随沙粒阻力增大而减小,而且与相对水深有关.同一沙粒阻力的水流,其阻力系数随水深增大而减小,在床面形态过渡区,阻力系数相差不大,沙粒阻力是影响床沙质含沙量的主要因素.     

梯形明渠边界平均剪切应力计算方法

梯形断面是渠道设计中广泛采用的一种断面形式,边界剪切应力分布规律是研究水流结构及阻力特性的重要因素。经过理论推导,建立了梯形明渠床面与边壁平均剪切应力相对值随过水断面宽深比的计算表达式,并与多家试验资料进行了比较,结果表明两者变化趋势基本一致。针对梯形明渠不同边坡角下的水力最优断面,分析了其床面、边壁平均剪切应力的变化规律,发现随着边坡角的减小,床面平均剪切应力相对值变化不大,而边壁平均剪切应力相对值呈现出减小的趋势。     

复式断面明渠水流三维数值模拟

复式断面渠道水流流场结构比较复杂,本文用耦合式求解器对复式断面明渠水流的三维流场进行了模拟.采用交错网格,界面上的动量差值采用Roe格式,紊流数学模型选用雷诺应力模型.将计算结果与实验结果进行比较,两者的吻合度较好,从而验证了数学模型的可靠性,最后又对复式断面明渠横剖面上水流运动特性进行了分析.     

含沙波明渠水流摩阻流速模型研究

当河流中存在沙波时,工程上常采用爱因斯坦的水力半径切割法求解河床阻力,该方法中将水力半径划分为平整床面对应的水力半径R'b和沙波存在时额外增加的水力半径Rb″。不同学者在利用对数公式求解平整床面摩阻流速时,床面粗糙度ks的取值不同,本文利用348组实测平整床面数据对ks进行率定,率定结果表明ks可用中值粒径d50代替。由于紊流对数流速公式只适用于紊流粗糙区,为求解紊流过渡区内流速,爱因斯坦在公式中加入修正系数χ,本文通过分析经典的尼古拉兹管流试验数据得到了χ的统一表达式。此外,由于Rb″是由床面不平整而产生的,通过分析实测数据,找出了静平整床面以及动平整床面所处的区域,并且求出其表达式,解决了爱因斯坦原始文献中求解Rb″时不能剔除动平整床面的难题,最后,在实测数据的基础之上,得到了Rb″的统一表达式。通过与935组实验数据和40组野外实测数据比较,发现本文摩阻流速模型的计算值与实测摩阻流速值吻合度较好。     

同侧竖缝式鱼道水力特性的数值模拟

分别采用标准的k-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)对同侧竖缝式鱼道池室内的水流进行了三维数值模拟。对鱼道池室内的流场、雷诺剪切应力等相关水力要素进行了分析,并应用水工模型试验成果对2种紊流模型的结果进行了验证比较。结果表明：2种紊流模型均可模拟同侧竖缝式鱼道水流基本特性,但 RSM 模型流速场的计算结果与水工模型试验结果更为吻合。     

峡谷河道综合糙率变化规律的预报

本文揭示了峡谷与宽谷河道水流结构特性与阻力损失的机理和同异，指出前者的综合糙率常比后者大1－3倍，其原因除了通常认识的周界粗糙度不同有影响外，主要因素是河型和断面形态（B／H）不同，紊流涡体的产生、规模、强度和分布不同，集中表现在水流内部结构不同所引起的能损不同的结果。论证了阻力系数公式（5）仍可用于三维水流。但卡门常数K值不再是0.4；峡谷河道水流的K值可用式（8）或式（9）求解。宽阔河道水流的K值可用文献的公式计算，在动床水流中，K不仅是表征流速分布变化的一个系数，也是衡量水流阻力系数变化和床面形态定性变化的一个指标，是阻力系数的重要组成部门。引入紊流能损理论（即K值的变化）之后，水流阻力变化规律便与水流结构变化和床面形态变化建立起有机的联系，取得了与实测值基本一致的结果，解决了现有的糙度阻力系数公式无法求解超高（低）阻力的难题。     

复式河槽漫滩水流的三维数值计算

采用紊流模型中的雷诺应力模型(RSM)对非对称复式河槽水流的三维紊流进行了数值模拟。数值模拟计算结果与试验结果的比较表明RSM能够很好地模拟滩槽交互区内的二次流、主流速分布和床面剪切力,此模型模拟复式河槽是可靠的。最后用RSM模拟了对称复式河槽在不同水深下的流速场及床面剪切力分布,得出当水深增加时,滩槽交互区二次流动纵向涡增强,而浅滩主流速及床面剪切力迅速增大的结论。