不同淹没度下植被群尾部流速与紊动能纵向分布

水生植被群尾流受淹没度影响,与局部水流特性和营养物质的分布产生积极响应。借助圆形竹签进行交错排布,模拟不同淹没度下的刚性植被群,通过室内水槽实验,研究淹没度对植被群尾部水流纵向分布的作用机理。实验结果表明:淹没度较大时(植被群生长初期),植被群正后方水流变化平缓,流速与紊动能峰值均接近于上游平均值;不同淹没度下的植被群尾部受卡门涡流影响,均能产生含有两个峰值的紊动能,且分别对应流速极小值;淹没度较小时(植被群生长后期),尾部正后方紊动能变化幅度增大,卡门涡流影响作用逐步减小,不利于植被群的纵向扩展。     

淹没柔性植被河道阻力系数特性及计算方法研究

植被是河流生态系统中重要的组成部分，在河流生态修复、河道形态演变和水资源可持续利用中发挥重要的作用，但水生植被的存在也会改变河道水流的运动形态，降低水流流速。柔性植被在水流的作用下会产生形态变化，使水流运动更加复杂。将柔性植被的形变因素加入到经典达西-魏斯巴赫阻力方程，利用最大差异性算法对试验数据进行筛选分类，通过遗传算法确定出淹没柔性植被阻力系数的表达式，基于达西-魏斯巴赫阻力系数与曼宁系数的转换关系得出曼宁系数表达式。结果表明：提出的达西-魏斯巴赫阻力系数公式和曼宁系数公式具有相对简明的表达形式，能应用于不同水深、不同植被密度、不同植被高度等条件下的淹没柔性植被河道阻力系数计算，研究成果可为植被化生态河道设计提供理论依据。     

含刚性粗糙元渠道水流流速分布试验研究

【目的】探索渠道内刚性粗糙元对水流流速分布的影响。【方法】用三维超声波多普勒流速仪(ADV)采集水流稳定后不同位置的流速值,并对获取数据进行平均化处理,分析了不同流量、不同粗糙元布置形式和不同粗糙元形态下明渠中非淹没刚性粗糙元前后水流流速结构和淹没刚性粗糙元后尾流结构,着重研究水流纵向流速u的纵向分布结构。【结果】①非淹没圆柱体试验,在不同流量、不同圆柱体排数下,流速u的流速分布相同;②淹没粗糙元在y方向使水流形成了1个3层的速度剖面,3层水流流速分布不同,不同淹没粗糙元形态对水流结构具有显著影响;③基于模型试验数据,对非淹没圆柱体试验数据采用非线性拟合的方法,分别得到了单根圆柱体上下游纵向流速分布的拟合式;④采用量纲分析得出,粗糙元在淹没条件下,其下游纵向流速u与水流特性、渠道特性及粗糙元特性有关。【结论】淹没条件下,粗糙元后水流流速纵向分布形成了1个3层的速度剖面;而非淹没条件下,粗糙元后水流流速纵向分布均呈现出"对勾"的形式。     

有植被突扩明渠水流特性试验

通过水槽试验分别研究在沉水植物水蕨和挺水植物富贵竹两种植被作用下的突扩式明渠水流特性,采用声学多普勒测速仪,测量突扩前后不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算得出时均流速分布,分析其变化特征,探讨突扩明渠中植物对水流内部结构的影响．试验发现：在种植植被前,中垂线上突扩前后流速均呈半对数分布,而种植植被后,水流受两种不同植物的影响而产生不同的变化趋势,有沉水植物的情况流速分布可分为3层,即植被冠层内、植被层之上和过渡层,且过渡层有随流逐渐增大的趋势,有挺水植物情况由于植物不同部位阻水效应的差异,使得流速呈现“3”型分布．位于扩散段回流区内的左垂线流速分布更加复杂,不服从半对数关系．种植植被后,同一垂线不同流量下水流的流速分布有很大变化,并且流速分布的变化率随流量的增大而增大．     

含植被坡面水动力学特性的实验研究

基于水槽试验,系统的研究了在5种流量、3种植被组合和3种覆盖密度情况下的坡面流的水力参数、水力因子间的关系和阻力规律.结果表明,坡面流一般为湍流,植被的存在增强了坡面流的湍流强度.平均流速与单宽流量幂函数相关,且拟合结果良好.柔性植被对流速的减缓作用大于刚性植被.柔性植被坡面和刚性植被坡面的阻力系数均随雷诺数的增加呈幂...     

植被群纵向间距对水流结构的影响研究

河道中植被群的空间布局对植被群的上下游水流特性和河床演变均会产生重要影响。为研究河道中植被群的不同布局对水流结构的影响规律，设计了定床水槽试验，试验采用PVC圆柱模拟两个相同的刚性非淹没植被群，设置4组不同的上下游植被群间距，通过研究水流的流速和紊动强度分布，分析在不同的上下游植被群间距下植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程，并与单个植被对水流结构的影响进行对比。试验结果表明：上游植被群的存在会使下游植被群前端调整区长度缩短，此长度与植被群间距无关；随上游植被群的出现下游植被群的溢出流速、尾流稳定区长度、稳定区流速均会减小，其大小均与植被群间距有关，间距越小各值越小；同时下游植被群尾流形成区长度变短，随间距增大呈现先减小后增大的趋势；且下游植被群的尾流恢复速度随上游植被的出现变的更加迅速；上游植被群的存在加剧了下游植被群尾流紊动，其变化趋势也与植被群间距有关；植被群对水流既有抑制作用也有促进作用，主要取决于植被群前端紊动强度大小。试验探究了植被群不同纵向间距对河道水流结构的影响，为河道中植被群空间布局对水流特性的影响提供了补充。     

柔性淹没植被河道水流结构研究与进展

水生植物是天然河道的重要组成部分,对河道的修复管理、河流湖泊的整治、水资源的可持续利用等具有重要意义。从理论分析、试验研究和数值模拟3个方面,总结分析了柔性淹没植被水流流速分布特性、水流阻力特性及水流内部紊动结构的研究与进展,提出了未来研究的方向和重点,对植被水流的进一步深入研究和河道水流生态功能的修复具有一定的指导意义。     

基于FLUENT刚性植被茎粗对坡面流特性影响研究

地表植被的地上部分主要是植被的茎部,植被的根茎能有效降低泥沙的输送能力,有助于植物的水肥管理.采用雷诺应力湍流模型,借助三维软件FLUENT,对不同根茎大小的刚性植被进行了数值研究.模拟设计了3种不同根茎大小的的植被,分别是3.5、5.0、6.5 mm,同时保持相同的植被密度,在相同流量条件下进行试验.结果表明:在淹没状态下,随着植被粗度的增加,植被间流速逐渐减小,通道处流速逐渐增加,尾旋和涡流逐步变大.植被粗度的不断增大,导致平均流速逐渐减小,与3.5 mm粗度相比,粗度为5.0和6.5 mm的平均流速分别降低了6.3％和10.6％.湍流动能和强度与植被的粗度呈正相关关系.这些结果对优化农田保护中的坡面植被分布具有重要意义.     

明渠中部分组合分布刚性植被的紊流特性研究北大核心

植被在影响河流的紊流中起着重要作用。为阐明斑块内植被组合分布下的紊流特性,运用CFD工具FLUENT,采用雷诺应力模型,设计4种不同的植被组合方式,对占据河道一半宽度的纵向不连续刚性植被斑块的流动特性进行了数值模拟研究。研究结果表明:①由于植被的存在,植被区流速相对于非植被区而言显著降低,植被区与非植被速度差异性随植被覆盖度的增大而增大,所以在植被覆盖度较大的区域更有利于泥沙的沉积和水生植被的生长。②非植被区域和植被区域之间的速度差较大,导致界面处出现自由剪切层,从而在该流动区域产生强大的质量和动量交换。③植被区的湍流明显大于非植被区,并随着植被区斑块密度增大而增大。     

铅丝笼丁坝设计参数的变化对纵向垂线平均流速分布的影响

丁坝作用后,靠近丁坝侧流速减小,另一侧流速加大,坝后出现回流区。但不同设置参数的铅丝笼丁坝作用后丁坝附近的流速分布又有很大的差别。本文通过定床试验,选择不同的坝长,挑角和透水性的丁坝展开试验,对丁坝附近的纵向垂线流速分布进行详细的量测,分析后得出丁坝设置参数的变化对丁坝附近的流速场的影响规律。     

MOCVD反应器的数学模型及其数值模拟

以垂直金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器沉积GaN为对象，建立了反应器内部数学模型。模型中包括了流动、传热和传质方程。通过应用非结构化网格划分复杂模型，在此基础上，计算了反应器中流场和温度场的分布。计算结果对于分析轴向对称立式MOCVD反应器中热量和动量输运现象均有普遍指导意义，为优化设计MOCVD反应器提供了理论依据。     

混流泵内部流动的试验研究

混流泵叶轮内流动性能直接影响整台泵的外部性能.为了探讨混流泵叶轮内部的流动机理,设计了透明蜗壳,加工了1套半开式混流叶轮,建立了混流泵试验系统并利用PIV对其在不同流量工况下叶轮内部的流动性能进行了试验测试.通过对叶轮流道内的时均相对速度分析后发现,在设计流量工况下压力面附近相对速度从进口到出口先减小后增大,吸力面附近的相对速度先增大后逐渐减小.在叶轮出口处沿叶片高度方向的相对速度靠近压力面附近变化不大,靠近吸力面附近从叶根到叶顶逐渐降低,相对流速最小值出现在吸力面叶顶附近.在小流量工况下,流道中部叶高截面至叶顶的区域内会出现回流现象.同时还研究了不对称形状的蜗壳对叶轮内部流动的影响,对叶轮相对蜗壳不同位置流道内的流动进行了测试,发现相对蜗壳不同位置流道内的相对流速的分布趋势基本相同.     

Surface velocity coefficients for application of the float method in rectangular and compound open channels

A three-dimensional mathematical hydraulic model was applied to calculate velocity profiles and discharge under steady, uniform flow conditions in rectangular and compound open-channel cross sections. The velocity profiles were used to calculate surface velocity coefficients for use with the float method for discharge estimation in the field. Surface velocity coefficients were calculated at increments of one-eighth of the base width from the vertical walls to the center of the cross section, and submergence of the float object from 0 to 30 cm, with a 5-cm depth increment. Model results were summarized to show the relationship between surface velocity coefficient and channel characteristics compared to values published by the US Bureau of Reclamation (USBR). For rectangular cross sections, the coefficients from the model are generally higher than the published USBR values. But the coefficients from the model and USBR are in very close agreement for the tested compound cross sections. The published coefficients by the USBR are a function of only average water depth. However, the model results show that the coefficient is also related to channel size, cross-sectional aspect ratio, surface roughness height, float submergence and lateral location of the float object. These factors should be included in the determination of the surface velocity coefficient to improve the discharge estimations from the application of the float method.     

磁力泵冷却系统的数值模拟

介绍了磁力泵内外两种冷却方式,应用公式估算冷却流量,对内冷却系统中导流孔的尺寸进行设计计算.基于FLUENT数值模拟软件,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型,通过求解三维N-S方程和能量方程,对磁力泵冷却循环回路进行流场模拟.结合传热学知识对模型的边界条件进行设置.重点分析了轴截面温度场云图、隔离套底面流体温度场云图和轴中心孔开倒角前后的局部速度矢量分布图,结果表明：隔离套底部介质粘性底层是造成易挥发冷却介质汽化的主要原因;通过增大冷却流量可以避免易挥发液体在隔离套底部发生汽蚀;通过增大轴中心孔直径可以降低冷却介质出口处流速.     

含刚性沉水植物明渠水流结构的试验研究

【目的】得到含刚性沉水植物明渠的水流结构。【方法】采用粒子图像测速仪(PIV),用有机玻璃棒模拟刚性植物,在不同来水流量、植物密度条件下对明渠水流结构进行了试验研究。【结果】无植物时平均流速沿垂向呈对数分布规律,有植物时则呈现明显的分区分布特性。无植物时紊动强度值沿垂向变化不大,有植物时在植物顶端位置处紊动最剧烈。流量或植物密度越大,植物顶端位置的流速梯度就越大,植物层上方的流速最大值也越大。植物密度越大,植物顶端位置的紊动强度越大,植物密度对水流紊动强度由最大值减小到最小值的区域影响很大。【结论】刚性沉水植物的存在会改变水流结构,增强紊动掺混,增强流体质点交换和能量传递,且上述影响会随着流量或植物密度的增大而增强。     

植被恢复类型对土壤物理性质的影响研究

应用空间代替时间的方法研究了盐池县天然草地、人工封育草地、撂荒地、退耕还草地、固定沙地5种不同植被恢复类型的土壤物理性质和水分变化。结果表明,灌草结合的人工封育草地、退耕还林地和固定沙地在降低土壤密度方面优于草本为主的天然草地和撂荒地。不同植被恢复类型的土壤孔隙度差异显著,根系垂直分布较好的植被对深层土壤有较好的改良作用。封育、退耕还林等人工植被恢复措施能够降低土壤密度,增加孔隙度,改善土壤结构和物理性状,但在改良土壤质地方面还需要时间的累积。不同植被恢复类型的土壤水分变化迥异,这与土壤密度、孔隙度和质地等物理性质以及植被类型和分布密切相关。     

速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响

根据Ωu=0二元设计理论,提出了采用四次多项式表示叶片速度矩沿轴面流线的分布规律,进而通过理论分析,确定用其中一个参数控制叶片速度矩的分布规律,以减小设计结果对经验的依赖程度.由此确定的速度矩分布规律包括＂S＂型、反＂S＂型和＂L＂型3类.采用不同的叶片速度矩分布规律,比较分析了对应的叶片出口边位置、包角等设计结果,并基于正问题分析,对不同叶片速度矩分布规律下的叶轮效率预测值和叶片表面载荷分布进行了比较.结果表明：对于Ωu=0的设计方法,采用四次多项式描述叶轮轮缘边速度矩分布规律是合理的;对于给定的混流泵轴面流道,部分＂S＂型速度矩分布规律能合理地满足叶片表面扭曲和混流泵结构设计的要求;采用合理的＂S＂型速度矩分布规律设计的叶轮效率最高,叶片表面载荷分布更加光滑.结果可为混流泵叶轮设计提供参考.     

速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响

根据Ωu=0二元设计理论,提出了采用四次多项式表示叶片速度矩沿轴面流线的分布规律,进而通过理论分析,确定用其中一个参数控制叶片速度矩的分布规律,以减小设计结果对经验的依赖程度.由此确定的速度矩分布规律包括＂S＂型、反＂S＂型和＂L＂型3类.采用不同的叶片速度矩分布规律,比较分析了对应的叶片出口边位置、包角等设计结果,并基于正问题分析,对不同叶片速度矩分布规律下的叶轮效率预测值和叶片表面载荷分布进行了比较.结果表明：对于Ωu=0的设计方法,采用四次多项式描述叶轮轮缘边速度矩分布规律是合理的;对于给定的混流泵轴面流道,部分＂S＂型速度矩分布规律能合理地满足叶片表面扭曲和混流泵结构设计的要求;采用合理的＂S＂型速度矩分布规律设计的叶轮效率最高,叶片表面载荷分布更加光滑.结果可为混流泵叶轮设计提供参考.     

基于反馈力浸入边界法的水轮机双列叶栅动态绕流特性

为了解决柔性结构体或刚性结构体与黏性流体相互作用产生的影响,采用网格生成简单,计算效率较高,适用于复杂结构外形浸入边界法进行处理,避免了贴体动网格生成的困难,相比传统的浸入边界法主要适用于柔性体,对于刚性边界问题Lai和Peskin使用反馈力近似处理.文中基于此方法对水轮机双列叶栅动态绕流特性进行数值模拟.在整个流场中使用笛卡儿自适应加密网格,利用有限差分法进行离散求解.通过数值计算,得到水轮机双列叶栅的流场分布特性以及导叶尾迹区内各流向断面压力、速度以及涡量分布的不均匀度指标.计算成果为进一步研究导叶动态绕流形成的不均匀流场对水轮机叶片流激振动的影响提供参考.