应用PIV系统研究横流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性

应用粒子图像测速(PIV)系统对横流中近壁水平圆柱绕流进行了试验研究。介绍了试验原理及装置,讨论了试验参数的选取和粒子的跟随性问题。分析了上游来流的流动特性,显示了亚临界雷诺数下间隙比为0.5时圆柱后尾流区旋涡产生、发展和消亡的动态过程,比较了时均流场和瞬时流场旋涡结构。对圆柱尾迹的旋涡脱落特性进行了分析,得出在试验条件下斯特劳哈尔数保持为常数0.2的结论。     

对风暴流沉积说涵义与概念的商榷

国外一些地质学家提出风暴流沉积、风暴岩.强调系暴风(台风)的突变性与灾变性力量形成的沉积物.据笔者对旋涡流作用成因的观察与研究得知,旋风(台风、龙卷风、气旋)是形成旋涡流的动力源之一.但旋风本身不能直接在海水中摄取砂粒形成沉积物,必须通过海水旋涡流作用,才能形成沉积,这又有违风暴流沉积说原意,而变成旋涡流沉积作用了.况且,旋风流动速度可与声速相当,延续时间短,形迹不定,不易搬运与形成沉积物.     

非定常不稳定液固两相流动中旋涡对颗粒运动影响的数值研究

构建起双向耦合的液固两相流动旋涡动力学模型与数值方法;应用离散涡方法,计算非定常不稳定水流场;采用Lagrange方法模拟颗粒运动,颗粒对流体的反作用通过修正涡泡运动速度来实现。利用所建模型,计算了两种St数的泥沙粒子在圆柱绕流场中的运动。结果证明了液固两相流动中颗粒运动与旋涡存在着明确的相关结构:(1)当水沙混合物中的泥沙颗粒碰上旋涡时,泥沙颗粒被卷入旋涡中,被卷入旋涡中的泥沙颗粒在运动过程中始终分布于旋涡区;(2)均匀水沙混合物绕圆柱流动,由于流体流过圆柱时产生剧烈分离流动,使得在尾迹流内中等St数 (St～o (1))的泥沙颗粒从均匀水沙混合物中分离出来而往旋涡区聚集。     

横流中圆孔湍射流的旋涡结构

应用PIV流场测试系统,研究不同流速比的横流中圆孔湍射流的旋涡结构。发现主要有4类旋涡,即射流主体周缘剪切层的类开尔文涡列、横流绕流分离旋涡、射流喷口前缘的马蹄涡系和尾迹涡。分析了这些旋涡的形成机理及其拓扑性质,射流近区有两条分离线,一条是横流绕流分离线,另一条是使射流两侧剪切层旋涡进入分离旋涡区的分离线。证实绕流分离旋涡最终在射流的顺流贯穿段进入射流主体,混合形成射流主体内的主反向旋转涡对。     

横流环境湍射流涡动力学特性数值模拟

采用三维湍流模型及其混合有限分析解法进行横流中湍射流这一复杂三维流动的研究。在利用实验数据对模型及其计算方法验证的基础上,对多种喷口形式和流速比工况下的流速场和涡量场进行了数值计算,模拟得到了其旋涡结构发展演化特性。在射流初始阶段,横流在射流背流面形成绕流分离旋涡,其结构与射流喷口形式和流速比有关。射流主轴沿流向布置的窄缝射流产生的旋涡最为特殊和复杂,在喷口侧面存在4个分离点,从而形成4个旋涡。在射流远区,流动主要由反向旋转涡对所控制,并诱导出二次涡对。分析得出了射流喷口形式及流速比对反向旋转涡对涡核位置和旋转强度的影响。     

雨水口堵塞程度对其泄流能力影响的试验研究

雨水口是下泄地表径流的关键设施,一旦堵塞将导致市政排水系统的泄流能力无法充分发挥,这是引发城市洪涝灾害的主要原因之一。为定量分析雨水口堵塞对其泄流能力的影响,本研究分别考虑进水篦及连接管不同堵塞程度的情况,开展了较大来流水深下的概化水槽试验,共计进行了608组试验。试验结果表明:①进水篦及连接管堵塞均会显著影响雨水口的泄流能力,且后者对雨水口泄流能力的影响更大。②利用试验数据率定了各堵塞情况下水流以堰流或管嘴流形式从雨水口下泄时的流量系数;基于量纲分析及回归分析,给出了各堵塞情况下雨水口泄流能力的幂函数表达式,并利用试验数据对参数进行了率定,率定效果优于堰流或管嘴流公式。③通过与未堵塞情况进行比较,基于幂指数均值假定及非线性拟合方法,建立堵塞系数与堵塞程度之间的经验关系,并最终提出了一个可以分别考虑进水篦与连接管堵塞影响的雨水口泄流能力公式;该公式可以考虑雨水口堰流及管嘴流等不同泄流形式,能够反映进水篦、连接管不同堵塞程度的影响,适用于来流水深较大的情况。     

弯曲溢洪道挑流消能试验研究

为避免加剧弯曲溢洪道的不良振动,对弯道水流的挑流消能问题进行研究。通过试验研究的方法,提出了一种适用于弯曲溢洪道的新型挑流消能工,结合渠底超高法对弯道水流的干扰,使水流在质量力的作用下分流,有效降低和减小了回水的流量范围,增加了挑流水舌的纵向长度。通过对比两种不同凹岸边墙半径的弯曲束窄差动式斜切挑坎和弯曲连续斜切挑坎的回流、挑流和分流等特性,根据水流运动特性和流线的几何关系,提出了一种判断该新型挑坎发生回水的半理论半经验方法。研究发现高坎的收缩程度和凹岸边墙半径是影响分流和回水的主要因素,通过对高坎水流运动特性的分析,拟合流量、凹岸边墙半径与高坎折冲水流出流方向角γ的经验公式,推导了高坎分流临界角度γc的计算表达式,计算结果与试验测量结果吻合良好,可以为弯道水流挑流消能的工程应用和运行提供参考。     

新型开孔桥墩水动力特性的PIV试验

基于粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）对新型开孔桥墩周围的水流结构进行试验研究。通过分析开孔桥墩中轴面（y/b=0）处的立面流场和桥墩周围不同水深位置处的平面流场,探究开孔桥墩周围水流动力结构。试验结果表明,矩形开孔桥墩周围水流呈明显的三维结构特点。在桥墩上设置方孔,能有效地抑制墩前部分下降流的形成、降低墩前壅水的高度和改善墩侧水流流态,同时明显改变墩后尾流结构。方孔所在水深位置处（z/h=0.45）,墩侧低速区最大相对宽度以及墩后尾流区最大相对宽度与相对孔宽比（w/b）呈二次曲线关系,且相关关系密切。近水面处（z/h=0.75）,w/b=0.5条件下墩后旋涡对的相对长度为无孔时的70%;相反,近床面处（z/h=0.15）旋涡对的相对长度略有增加,但旋涡对的相对宽度一直保持在1左右。     

冻结砂土力学性质的离散元模拟

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用接触黏结模型中来考虑冻土中冰的胶结作用,建立了冻结砂土的颗粒流模型。通过改变计算模型中颗粒单元的参数,模拟了在不同冻结温度以及不同围压下冻结砂土的宏观力学性质,并与冻结砂土的室内试验结果进行了比较,结果表明：颗粒流方法可以较好地模拟冻结砂土的应力-应变关系以及剪切带的发展变化过程,颗粒流细观参数对温度具有显著的依赖性。研究结果对离散单元法在特殊土中的应用具有一定的理论和应用价值。     

立轴式回转钻机液压系统升级及应用

机械传动、液压给进的立轴式钻机,是当前国内广泛应用的一种主流机型,液压系统是立轴式钻机的重要组成部分。针对主流深孔立轴式岩心钻机液压系统存在的问题,通过采取增大液压元件的额定流量、加大油管的通径、对油箱部分进行完善等措施,对立轴式回转钻机的液压系统进行了升级改进,并经实践验证取得了较好的效果。介绍了立轴式钻机液压系统优化升级的主要措施及其实际应用效果。     

The comparative effects of frictional convergence and vertical wind shear on the interior asymmetries of a tropical cyclone

A minimal three-dimensional hurricane model formulated on an \(f\) -plane is used to investigate the asymmetries that develop when a model storm is subjected to ambient vertical wind shear. The asymmetries that form in the moist version of the model have a different structure to those that form in a dry version. In the moist case, there are two competing factors that influence the inner-core asymmetries: vertical wind shear and frictional convergence in the boundary layer. We show that the relative importance of these factors is different in the different stages of vortex evolution and different also in the core region compared with the outer region of the vortex. In the developing stage, the patterns of vertical velocity and temperature deviation above the boundary layer are primarily determined by the shear. When saturation occurs in the core region, the vortex rapidly intensifies and the upper and lower portions of the vortex become strongly coupled so that there is little tilt of the core region. In the mature stage, ascent associated with frictional convergence in the core tends to dominate the vertical motion field induced by the shear, but there are individual times when the patterns of ascent at the top of the boundary layer and at the upper level differ significantly. These times coincide mostly with fluctuations in the vortex track, which, in turn, must be influenced by asymmetries in the horizontal flow in the vortex. Even though the inner core of the vortex becomes upright with the onset of deep moist convection, the outer regions continue to have a significant tilt. Outside the core region, the asymmetries in the pattern of vertical motion above the boundary layer are associated primarily with the tilt of the outer vortex.     

晚更新世黄土渗透性的各向异性及其机制研究

非饱和黄土的渗透性是非饱和黄土性质的重要组成部分。研究黄土不同方向的渗透性对确定其湿陷范围和由于水的渗透引起的黄土滑坡具有很重要的理论意义。研究了黄土渗透性的各向异性特征及其机制。以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,用TEN型张力计测量了黄土试样不同方向的、不同含水率下的吸力;用变水头渗透试验测量了黄土竖直和水平方向的饱和渗透系数。结果表明,当体积含水率在23%～41%时,张力计沿不同方向插入土样所测吸力相差不大;竖直方向的饱和渗透系数是水平方向的4.02倍。在吸力测量的基础上,根据土-水特征曲线,确定了竖直和水平方向的非饱和黄土的渗透系数。得出在黄土不同方向,随着吸力的增大或减小,渗透系数减小或增大;竖直方向的渗透系数普遍地大于水平方向的渗透系数;当吸力小于57 kPa时,随着吸力的增大,竖向渗透系数与水平向渗透系数的差值减小。通过观测黄土的结构,得出黄土结构对其渗透性有重要影响。     

三维PIV技术在吸入涡流态测量中的应用

为了研究进水口前吸入涡的流动特性以及不同结构的进水口对吸入涡的影响,对水平进水口前的吸入涡流动进行了三维PIV测量.测量时应用折射率校正法解决了不同介质中进行三维PIV试验时所产生的粒子成像不清晰的问题,并采用多次成像标定法来减小垂直方向上的速度测量误差.通过该试验,得到进水口前吸入涡的三维速度分布规律,并得出后壁面角度与吸入涡大小和强弱关系.试验表明,后壁面角度为30°的进水口比角度为0°进水口更能有效的阻止吸入涡发生,因此可以通过加大后壁面的夹角的方式来削弱进水口处的吸入涡.     

Impact of a Tropical Cyclone on Coastal Upwelling Processes

A three-dimensional numerical model is described to study theresponse of a coastal ocean excited by a tropical cyclone in the Bay of Bengal. The numericalexperiments have been carried out using the model to understand the dynamics and thermodynamics ofthe ocean due to different cyclonic systems approaching in different directions. In the firstexperiment, the model is used to simulate the vertical thermal structure of the ocean as a response ofpassage of the less intensified 1997 cyclone, which was skirting the east coast of India before crossingthe Bangladesh coast. The simulations are compared with the buoy data available during the storm period.In the next experiment, it is considered an idealized cyclone with hurricane winds movingnormal to the east coast of India crossing between Visakhapatnam and Kakinada to evolve thermalstructure and currents of the ocean. A net decrease of the SST of 6–7 °C is simulated whenthe severe cyclonic storm moved over the coastal ocean.     

兰州Q4黄土各向异性的初步研究

水敏感性和结构性是黄土区别于其他类型土的主要特点,得到了广泛的研究,但大多数试验研究都采用垂直方向制备的试样,仅考虑了黄土垂直方向的力学特性,这对于以承受上部垂直荷载为主的黄土地基基础等工程类型来说是合理和准确的,而对于受力状态较为复杂的边坡和隧道及地下结构等工程类型,黄土力学性质的各向异性可能更为重要。分别从垂直向和水平向制取兰州Q4黄土的原状土试样,通过三轴剪切试验研究了其抗剪强度和变形参数在不同围压下和不同方向上的差异性,并与直剪试验获得的强度参数进行对比。结果表明：兰州Q4黄土力学性质的各向异性是较为显著的,强度方面的差异主要体现在黏聚力,而内摩擦角的差异性较小;变形特征具有随围压增加而从脆性向塑性转化的特点,垂直方向的变形模量比水平方向的变形模量平均要大2倍左右。用黄土的结构性强度及其形成机制解释了试验结果,认为黄土力学性质的各向异性特点是其结构性的另一种表现方式,应重视黄土在不同方向上强度和变形特征的差异性,以获得更安全合理的参数。     

粘性土各向异性特性的PFC数值模拟

本文采用PFC2D来建立能够反映粘性土微观结构的模型,对不同方向的切样分别进行剪切试验,得到不同方向上剪切的应力应变曲线、剪应变-体应变曲线,求得不同方向上的弹性模量、泊松比、体积模量和剪切模量4个参数,得到其变化规律。粘性土各个方向上剪切强度峰值强度基本沿竖直方向对称分布,呈现出由竖直方向到水平方向剪切的峰值强度由大到小的变化规律。     

土性参数的随机场模型及桩体沉降变异特性分析

考虑土体参数的空间变异性,建立了土体变形模量的随机场模型并推导了方差拆减系数计算公式,研究了竖向和径向自相关距离对桩体沉降变异性的影响。     

基于珊瑚礁岛分区分层的淡水形成过程研究

为了探究土的分层特征对珊瑚礁岛下淡水透镜体形成的意义,在南海某珊瑚礁岛采用钻孔取样,分析每个钻孔不同层位样品的粒度。根据水平和垂直方向上的粒度特征,确定岛的水平分区和垂直分层;根据每个钻孔所代表的范围,确定每个水平分区的面积;根据每个钻孔中不同颗粒级配的样品所代表的厚度,确定每个垂直分层厚度。礁灰岩以上松散层的不同分区和分层的颗粒级配控制地层的渗透性,垂直和水平方向的渗透性特征控制淡水透镜体形成的难度、淡水透镜体的总厚度以及过渡带的厚度。根据岛的总面积和垂直分层数建立数值模型,得到不同时间、不同水平位置和垂直深度的地下水浓度特征的模拟结果。     

Impact of modification of initial cyclonic structure on the prediction of a cyclone over the Arabian Sea

Most tropical cyclones have very few observations in their vicinity. Hence either they go undetected in standard analyses or are analyzed very poorly, with ill defined centres and locations. Such initial errors obviously have major impact on the forecast of cyclone tracks using numerical models. One way of overcoming the above difficulty is to remove the weak initial vortex and replace it with a synthetic vortex (with the correct size, intensity and location) in the initial analysis. The objective of this study is to investigate the impact of introducing NCAR–AFWA synthetic vortex scheme in the regional model MM5 on the simulation of a tropical cyclone formed over the Arabian Sea during November 2003. Two sets of numerical experiments are conducted in this study. While the first set utilizes the NCEP reanalysis as the initial and lateral boundary conditions, the second set utilizes the NCAR–AFWA synthetic vortex scheme. The results of the two sets of MM5 simulations are compared with one another as well as with the observations and the NCEP reanalysis. It is found that inclusion of the synthetic vortex has resulted in improvements in the simulation of wind asymmetries, warm temperature anomalies, stronger vertical velocity fields and consequently in the overall structure of the tropical cyclone. The time series of the minimum sea level pressure and maximum wind speed reveal that the model simulations are closer to observations when synthetic vortex was introduced in the model. The central minimum pressure reduces by 17 hPa while the maximum wind speed associated with the tropical cyclone enhances by 17 m s ⁻¹ with the introduction of the synthetic vortex. While the lowest central pressure estimated from the satellite image is 988 hPa, the corresponding value in the synthetic vortex simulated cyclone is 993 hPa. Improvements in the overall structure and initial location of the center of the system have contributed to considerable reduction in the vector track prediction errors ie. 642 km in 24 h, 788 km in 48 h and 1145 km in 72 h. Further, simulation with the synthetic vortex shows realistic spatial distribution of the precipitation associated with the tropical cyclone.