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。     

三峡水库调节作用对长江近河口段水文水动力特性影响

为了评估三峡水库蓄水对长江感潮河段水文水动力特性的影响,建立了具有预测功能的水动力模型。考虑径流与潮流之间的相互作用,模型在只有上边界流量过程的条件下可以给出下边界的潮位过程。在此基础上应用一维河网非恒定流数学模型,对三峡水库蓄水前后长江近河口段大通—徐六泾的水流运动进行了10年的数值模拟。统计分析结果表明,水库调蓄作用对感潮河段各站的潮位累积频率及水文水动力因素的年内过程变化影响甚大。     

波浪环境下多孔射流水动力特性试验

为了研究波浪对多孔射流运动和稀释过程的影响,采用粒子图像测速（PIV）及激光诱导荧光（LIF）量测系统对波浪环境下多孔射流的速度场和浓度场进行了测量。结果表明:在波浪环境下多孔射流可分为3个区域,即初始区、过渡区和混合区。在初始区,各孔射流保持各自的射流特征,相互影响较小;在过渡区,各孔射流发生分叉,并在孔与孔之间相互叠加,形成若干个汇流点,平均速度和平均浓度的峰值从射流轴线位置向汇流点处偏移;在混合区,多孔射流相互融合,其平均速度和平均浓度呈现单一的“坦峰”分布,形式上表现为单孔射流的水动力特征。通过对比分析发现,波高和周期的增大以及射流初始速度的减小可使汇流点的位置向下偏移,多孔射流将更快地进入过渡区和混合区。     

悬板开孔对排沙漏斗流场特性的影响

排沙漏斗的水沙分离性能取决于其流场特性,为了弄清楚悬板开孔对流场特性的影响,利用粒子图像测速技术和数值模拟方法,分别对悬板溢流段和非溢流段同时均匀布孔、仅在非溢流段布孔和无孔时的排沙漏斗流场特性开展研究。结果表明:①布孔位置不影响涡流性质但影响其强度,均匀布孔时涡流强度最小,不利于水沙离心分离;②无孔和仅在非溢流段布孔时的流场特性有利于泥沙径向输移、沉降和排出,均匀布孔径向速度和二次流流速减小不利于泥沙输移和排出;③仅在悬板非溢流段布孔时悬板表面速度大于其他方案,泥沙不易淤积于悬板。为减少悬板上的泥沙淤积量且同时要保证较高的泥沙截除率时可采用仅在悬板非溢流段布孔的方案优化悬板体型。     

悬板开孔对排沙漏斗流场特性的影响

排沙漏斗的水沙分离性能取决于其流场特性,为了弄清楚悬板开孔对流场特性的影响,利用粒子图像测速技术和数值模拟方法,分别对悬板溢流段和非溢流段同时均匀布孔、仅在非溢流段布孔和无孔时的排沙漏斗流场特性开展研究。结果表明：①布孔位置不影响涡流性质但影响其强度,均匀布孔时涡流强度最小,不利于水沙离心分离;②无孔和仅在非溢流段布孔时的流场特性有利于泥沙径向输移、沉降和排出,均匀布孔径向速度和二次流流速减小不利于泥沙输移和排出;③仅在悬板非溢流段布孔时悬板表面速度大于其他方案,泥沙不易淤积于悬板。为减少悬板上的泥沙淤积量且同时要保证较高的泥沙截除率时可采用仅在悬板非溢流段布孔的方案优化悬板体型。     

潜堤对破碎区至冲泻区水动力特性影响数值分析

破碎区至冲泻区水动力特性分析是研究近岸地区泥沙输运机理和岸滩演变的关键。考虑潜堤修建的影响,对破碎区至冲泻区水动力特性开展研究。运用基于RANS方程的波浪数学模型,选取非线性涡粘性κ-ε紊动传输模型,采用高精度PLIC-VOF方法追踪自由面,并用实验数据验证模型精度。计算分析结果表明,潜堤的修建改变了破波点的位置,破碎区至冲泻区内水动力特性随之变化,入射波波高H、波长L、堤顶水深R和堤顶宽度B是主要影响因素。在相同的入射波条件下,B/R增大,破碎区至冲泻区内出现的最大紊动动能值和最大紊动耗散值减小。用量纲一参数Re,Fr和St来描述破碎区至冲泻区水动力特性,随着RL/BH增大,波浪将在离岸较近处发生破碎,Re和Fr增大,St减小。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明:坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

低坝影响下的流场与淤积形态特性试验研究

为研究径流式低坝影响下的水流流动与泥沙淤积特性,开展水槽试验,基于图像测量技术,获取并解析坝附近区域流场信息及典型淤积形态。结果表明：坝前附近流段纵向流速在垂线上出现衰减区,减幅随水流强度增大而减小;坝顶断面纵向和垂向流速沿垂线的分布均呈现显著的分区特性,分区界限几乎不受水流强度的影响;随坝顶水深增加,坝下游漩涡涡心向下游及河底移动,面积和强度皆增大;坝上游淤积形态特性对水流强度的变化非常敏感,在较低强度来流下,呈接近坝体的稳定曲面斜坡,而在高强度来流下,不形成稳定淤积体;坝下游形成动态稳定的淤积斜坡,纵剖表面线呈抛物线规律,随来流强度变异程度小。     

考虑微结构特征的黄土动力特性影响因素研究

选取1920年海原地震震中滑坡密集分布区宁夏回族自治区西吉县庞湾乡的黄土,分别进行了不同围压,不同含水率条件下的原状、重塑土动三轴试验。结合动三轴试验前后的微观变化图像,探讨围压和水分对黄土试样土颗粒的作用机制,从微结构的角度阐释了两者对黄土动力特性影响的特点。研究结果表明:所取试样动剪切模量与动剪应变的关系可以用H-D模型的推导式拟合,随含水率增加,围压减小,参数a,b值增大;水分在原状试样和重塑试样的作用不同,随着含水率的增加,动剪切模量降低,阻尼比增大,原状试样动剪切模量和阻尼比的变化速率先快后慢,而重塑试样相应值的变化速率先慢后快;除了水分和围压等外在条件的影响,土样本身土体的微观特征如孔隙分布、颗粒大小、粒间间距、联结方式、密实程度等因素对土体动剪切模量和阻尼比等宏观特性产生重要影响。     

珠江三角洲近年地形不均匀变化对洪季水动力特征的影响

为探明在新水沙条件和人类活动的影响下珠江三角洲河网地形变化与洪季水动力特征变化之间的关系,以1999-2008年为研究时段,基于1999年地形建立一维河网数学模型,复演珠江三角洲地区"08·6"洪水,并与"08·6"实测资料进行对比,分析河网地形变化对洪季水动力特征的影响。结果表明:①珠江三角洲河网地形整体下切加强了河道行洪能力,在遭遇洪峰30年一遇的"08·6"洪水时洪水位整体下降,三角洲顶部马口站洪水位最大降幅达到0.9 m;②河网内潮差和潮汐传播速度增大,潮区界上移至马口、三水以上;③西江河网地形下切幅度大于北江河网,地形不均匀下切导致河网节点分流比改变,西江河网洪水期分流增加2%,马口站和天河站洪峰流量增幅分别接近1 500 m^3/s和1 000 m^3/s;④西江马口站分流比随上游洪水流量增大而减小的趋势没有改变,但地形不均匀下切导致其变化梯度增大。珠江三角洲近年地形的不均匀下切,是近年珠江三角洲河网地区,特别是河网腹地洪水灾害有所减轻的主要原因之一。     

粗粒土渗透损伤特性试验研究

为深入认识渗透变形对粗粒土渗透性及压缩性的影响,利用自主研发的加载式大型渗透变形仪对不同级配的粗粒土试样进行渗透变形全过程试验及侧限压缩对比试验,获得了不同试件产生渗透变形的临界水力梯度、渗透系数演化规律及损伤变化特性。研究成果表明：渗透变形过程中渗流路径中下游部位产生了渗透挤密效应,引起局部渗透性降低;在后期增加的水头作用下,先前产生渗透挤密部位的渗透性逐渐增大。试样产生渗透变形后,压缩模量减小;颗粒级配不同,渗透破坏引起的压缩损伤程度亦不相同。试件产生渗透变形后,在重力和渗透力作用下,试件结构将产生重构现象。     

有限空间中三维壁面紊动射流流动特性试验研究

为了研究三维壁面紊动射流前方布置的垂直挡板对时均流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数和淹没水深条件下的流速场进行了测量,统计分析了U速度剖面分布、速度半宽值变化和最大速度衰减规律。结果表明:沿射流方向具有3个明显不同的衰减区,依次划分为自由边界下的三维壁面射流区（Ⅰ区）、垂直挡板影响区（Ⅱ区）和近壁区（Ⅲ区）。在重点分析的Ⅱ区内,3个特征物理量的分布规律均与雷诺数无关;在垂直挡板影响下,速度半宽值扩展率明显加快,发展更为充分;在水深H~1.75H范围内,射孔中垂面内速度半宽值扩展率为0.043,同时0.5H的递增对射孔中心水平面内速度半宽值的分布较为敏感,其扩展率由0.205增至0.270;最大速度衰减对水深的改变并不敏感,且在Ⅱ区加速衰减,衰减指数为1.095。通过与半无限空间中三维壁面射流径向型衰减区的流动特征比较,Ⅱ区与之相似,将Ⅱ区视为提前进入径向型衰减区。     

水动力学条件对复氧过程的影响研究

通过水槽实验对紊动水体复氧规律进行了研究.将氧通量理论应用于紊动水体复氧过程的研究,得到了紊动水体表面传质系数.数值模拟研究了实验流场分布和紊动特性,得出了紊动水体表面传质系数与流速和紊动动能的关系式.不同工况的实验资料验证表明了紊动复氧理论的合理性和可靠性.     

填料粗粒含量对筋土界面拉拔性状的影响

基于可视化拉拔系统及数字照相量测技术,针对5种不同粗粒含量 （粒径>5 mm颗粒的质量百分数）的粗粒土开展拉拔试验,探讨了粗粒含量 对筋土界面强度指标、颗粒位移演化及土工格栅应变等的影响。研究表明：界面黏聚力c与界面摩擦角 随 增加呈不同程度增加; 从20%增长至35%后,土工格栅末段出现应变及拉拔力峰值时所对应的格栅拉拔位移均减少,但各段土工格栅应变量增加;随着 的增加,筋土界面粗粒土颗粒位移矢量方向逐渐趋于水平,其位移量显著减小。同时,筋土界面空洞明显减少; 增加使筋土界面的粗粒土颗粒位移减小,而间接影响区范围扩大,使一定高度范围内的粗粒土颗粒被间接带动,在宏观上使界面似黏聚力增加; 增加后,位于筋土界面V3处的土颗粒最大位移速度减小。位于间接影响区的V1、V2处的土颗粒最大位移速度因受间接影响区范围扩大,颗粒扰动加强而有少量增大。     

粗粒料强度及变形特性的细观模拟

粗粒料是一定级配的岩石颗粒集合体,具有独特的物理力学特性。以粗粒料室内三轴固结排水试验成果为基础,基于离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程及二次开发,得到按级配生成的粗粒料三轴试验数值模型。引入clump颗粒考虑颗粒形状对粗粒料强度及变形的影响,分析剪胀、颗粒形状、颗粒重排的关系。结果表明：颗粒形状是影响粗粒料强度与变形的主要因素,在其他细观参数一定的情况下,改变颗粒形状,可以显著影响粗粒料的力学行为;BPM模型的应力-应变关系只在低围压下与试验值吻合,随着围压的增大,偏差越来越大;而引入clump颗粒的PFC3D数值模型能很好地模拟粗粒料室内三轴固结排水试验的应力-应变特性,但由于BPM及clump都是刚性颗粒,没有考虑颗粒变形及破碎,造成应变剪胀偏大。     

不同应力路径下绢云母片岩粗粒料声发射特征

粗粒料在变形和颗粒破碎过程中伴随着明显的声发射（AE）,通过监测粗粒料在外力作用下的声发射信号特征可用来研究其力学机制。为探讨不同应力路径下绢云母片岩粗粒料声发射规律,采用改装设计的大型三轴试验机,对绢云母片岩粗粒料分别开展了常规三轴固结排水、等p（体应力）和等q（偏应力）应力路径试验,同时监测其声发射信号。研究表明,对于粗粒料的声发射必须考虑颗粒间的滑动摩擦、翻滚摩擦、颗粒破碎这3种细观机制。不同围压、不同应力水平对颗粒间的滑移、翻滚以及颗粒破碎活动影响较大,因此,在不同阶段,摩擦型AE与破碎型AE所占比例各不相同。在等p路径下,当累计声发射信号出现拐点时,可判断其为应变软化点。等q试验产生的累计AE计数与累计AE能量计数要比等p试验的累计AE计数和累计AE能量计数少一个量级,说明等p试验状态下的声发射要比等q试验活跃。等p试验中,随着体应力逐渐增大,累计AE参量增长率逐渐增大,而等q试验中,随着偏应力逐渐增大,累计AE参量增长率逐渐降低。     

堆石粗粒料颗粒破碎试验研究

利用室内大型三轴试验,对堆石等粗粒料的颗粒破碎进行了分析。结果表明,颗粒破碎率随围压的增加而增加,呈非线性状态,二者之间的关系可以用双曲线表示。颗粒破碎的增加将导致粗粒料的抗剪强度降低,峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间呈幂函数关系,不论颗粒的岩性、强度、大小、形状、级配和初始孔隙比等情况如何,试验资料都落在一个狭窄的区域,如果围压和材料的试验参数已知,则可估计颗粒破碎率。