柔性植被与刚性植被覆盖下坡面流阻力特性研究

主要讨论植被覆盖下的坡面流水力学特征,特别是阻力特征,并比较柔性植被和刚性植被对阻力影响的不同之处,系统地研究了坡面流阻力系数与单宽流量、雷诺数、覆盖度、坡度的关系。研究结果表明:柔性植被覆盖下的坡面流阻力系数随单宽流量变化不显著,但随着坡度的增大,阻力系数是减小的,大坡度小覆盖度下的坡面流阻力系数和雷诺数呈现负相关关系,同时植被覆盖度越大坡面流阻力系数也越大。而刚性植被覆盖下的坡面流阻力系数和坡面单宽流量呈现良好的正向幂函数关系,同雷诺数、植被覆盖度也都有明显的正比关系,同坡度的变化关系和柔性植被覆盖相似,并且刚性植被覆盖下的阻力系数在同等其他条件下明显大于柔性植被覆盖下的阻力系数。     

不同覆盖度下坡面流植被阻力特性研究

为深入研究植被覆盖下坡面流阻力规律,以植被覆盖下明渠水流植被阻力公式为基础,通过5个覆盖度、6个坡度和7个流量组合条件下的室内放水试验,结合理论分析,建立适应于坡面流的植被阻力模型。结果表明,植被阻力随等效覆盖度和等效水力半径的增加而增大,等效覆盖度对植被阻力的贡献率(0.106)小于明渠水流(0.167),而等效水力半径(0.5)和拖曳力系数(0.5)的贡献率与明渠水流(均为0.48)基本一致。植被阻力模型的NSE值高达0.84,为坡面流植被阻力计算奠定了一定的理论基础,可促进明渠水力学理论在坡面水流方面的扩展。     

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.     

阻力形式对坡面流流速修正系数的影响

坡面流平均流速是建立坡面土壤侵蚀过程模型的基础参数,主要通过示踪法测定的水流表层流速乘以修正系数α获得,因此对α的合理取值是准确计算平均流速的关键。在收集和整理前人试验资料的基础上,利用室内水槽冲刷试验,研究了不同阻力形式(颗粒阻力、输沙阻力、植被阻力)对坡面流流速修正系数的影响。结果表明：坡面流流速修正系数随颗粒阻力、输沙阻力增加而减小,随植被阻力增加而增大,两者均可用幂函数表示;不同阻力形式主要通过改变坡面流流速分布影响流速修正系数,颗粒阻力和输沙阻力主要使流速梯度变大,而植被阻力主要使流速梯度变小。利用逐步回归分析给出了多种阻力形式作用下流速修正系数的预测公式,与实测值对比,吻合较好。     

不同黑麦草种植密度对坡面流的阻力特性影响研究

为探究植被覆盖下坡面流的阻力特性,采用理论分析与室内放水冲刷试验相结合的方法,分析了3种不同种植密度、2组坡度下黑麦草对坡面流阻力的影响,并初步探讨了一定条件下柔性植被的形态与坡面水流的相互作用。结果表明,当有植被覆盖时,糙率系数随雷诺数的增加基本呈先增加后减少再增加的趋势;糙率系数并非随密度增大而增大;坡度为5°时糙率系数与弗汝德数之间呈良好的幂函数关系,而坡度为10°时拟合度并不高;在弗汝德数相同时,糙率系数随着坡度的增加而减少。     

水生植被类型及淹没度对河道垂线流速分布影响试验研究

采用钢筋刚性材料和弹簧柔性材料模拟了不同类型的水生植被,通过概化水槽物理试验研究了水生植被类型、水生植被淹没度对水生植被对于河流流速垂线分布的影响规律。试验结果表明:不同淹没度条件下刚性植被和柔性植被对河流流速垂线分布影响规律相似性较高,流速垂线分布均展现出分层现象;但不同水生植被材质条件流速垂线分布的分层节点不同,这是由不同材质的水生植被与水流间力学作用机制不同导致的。     

黑麦草密度对坡面水流阻力影响的试验研究

【目的】提高生态工程的水土保持效益,合理利用坡面植被挡蓄径流,减轻坡面工程土壤侵蚀。【方法】通过室内试验,模拟水流在不同密度植被覆盖下的坡面流动时水深及阻力的变化规律,详细描述坡面沿程水深规律并建立水深方程,研究阻力在整个坡面的分布及变化过程。【结果】①由坡面水深方程推求得出了水流所受坡面总阻力方程。②刚性植被与柔性植被在坡面阻流中对水流的阻碍作用不同,植被对坡面水流的阻力不随植被密度增大而增大,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。【结论】在治理低山丘陵区的水力侵蚀时,植被种植密度不宜过疏或过密,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。     

黄土丘陵区不同植被格局产流产沙

利用径流冲刷试验,在不同植被格局的坡面上,对黄土丘陵区坡面不同植被格局的侵蚀产沙规律进行了研究。结果表明：在不同流量下,各个植被格局对于坡面产流量的影响不显著。不同植被格局坡面的累积产沙量呈现出随着流量的增加而增加的趋势,但是坡面累积产沙量的差异都是随着流量的增加反而减小了。各个植被格局坡面的累积径流量过程与累积产沙量过程之间呈相关性非常显著,相关系数都达到95%以上。     

黄土丘陵区不同植被格局产流产沙试验

利用径流冲刷试验，在不同植被格局的坡面上，对黄土丘陵区坡面不同植被格局的侵蚀产沙规律进行了研究。结果表明：在不同流量下，各个植被格局对于坡面产流量的影响不显著。不同植被格局坡面的累积产沙量呈现出随着流量的增加而增加的趋势，但是坡面累积产沙量的差异都是随着流量的增加反而减小了。各个植被格局坡面的累积径流量过程与累积产沙量过程之间呈相关性非常显著，相关系数都达到95％以上。     

土壤冻结对黄土细沟水流流速的影响

细沟水流流速是冻土和未冻土坡面水文过程的重要参数,与冻融坡面土壤侵蚀和泥沙输移密切相关。试验在长8 m、宽0.1 m、深0.12 m的土槽内填装深度为0.05 m的陕西安塞黄绵土坡面进行。设定坡度为5°、10°、15°、20°,流量为1、2、4、8 L/min,通过测量冻土与未冻土坡面细沟水流前锋流经整个土槽所用时间,计算水流的前沿流速,对比2种坡面上水流前沿流速的关系,研究冻结对水流流速的影响,同时采用电解质示踪法计算水流的优势流速,分析优势流速与前沿流速的关系。不同工况下,冻土坡面前沿流速在0.260~0.843 m/s之间,未冻土坡面水流前沿流速在0.175~0.552 m/s之间;冻土和未冻土坡面上,随坡度、流量的增大,前沿流速增大,增大率在缓坡(5°~10°、10°~15°)时逐渐减小,流量较小(1、2、4 L/min)时,流量增大,坡度对前沿流速增大率的影响也逐渐减小;坡度和流量对冻土坡面水流前沿流速的影响大于对未冻土坡面水流前沿流速的影响;冻土和未冻土坡面前沿流速均随坡度和流量的增大近似呈幂函数增大;在试验条件下,冻土坡面前沿流速和优势流速比未冻土坡面大43%和40%;冻土和未冻土坡面上优势流速和前沿流速的比值分别为0.61和0.63,表明该系数可以用于标定前沿流速。试验结果可为冻土坡面与未冻土坡面水流动力过程研究提供参考。     

基于CFD技术的核电站上充泵全流场数值模拟

为研究核电站上充泵内部流动规律,基于计算流体动力学（CFD）技术,采用Reynolds时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,压力、速度耦合使用SIMPLEC算法,对1 000 MW核电站离心式上充泵全流场的三维定常湍流进行数值模拟,得到上充泵各级叶轮-导叶内部的速度、静压以及湍动能分布图,并对其内部流动状态进行分析.在数值模拟的基础之上,对4级上充泵样机进行了性能试验,并且换算成12级实型泵的性能,将性能试验结果和模拟性能预测结果进行对比.数值模拟结果表明：在叶轮、导叶间隙处出现局部低压区;叶轮出口和导叶进口交界区域速度分布不均匀,局部区域有逆流和旋涡,造成部分水力损失;叶轮出口和导叶进口处的湍动能较大,且分布极不规律,有较大的能量损失.从数值模拟的结果可以得到上充泵内部流动水力损失严重的区域,为进一步优化上充泵的设计提供参考.数值模拟和试验两者的结果吻合较好,验证了计算模型和换算结果的正确性.     

薄层水流水力特性试验研究

对粘砂床面的薄层水流进行定床试验,研究了不同流量、坡度下薄层水流的水力学参数(流态、水深、流速及阻力系数)随坡度和流量的变化规律。结果表明:水流雷诺数Re随着坡度和流量的增大而增大,但Re主要是由流量决定的,坡度对Re的影响不大,水流流态基本上在过渡流区和紊流区;平均水深-单宽流量,流速-单宽流量,水流阻力系数-单宽流量均成很好的幂函数形式,平均水深和流速均随单宽流量的增大而增大,阻力系数随着单宽流量的增大而减小。     

Mathematical modeling of open-channel velocity profiles for float method calibration

A computational method based on mathematical modeling of steady-state hydraulics is described for improving the accuracy of the float method for estimating open-channel discharge. Both two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) velocity distribution model versions were developed for steady-state uniform flow in open channels with rectangular cross-sections. The normal depth of flow was obtained by solving the Chézy equation for uniform flow conditions. Cross-sectional velocity distributions were calculated by solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations and an algebraic model for turbulent stresses, without the use of wall proximity corrections to the pressure strain term. The calculated 3-D velocity coefficients were found to be in the same range as previously published United States Bureau of Reclamation (USBR) coefficients, but the results also indicate that the USBR coefficients, which are based solely on average water depth, can be improved by taking into account other hydraulic parameters such as longitudinal bed slope, channel base width, and wall roughness. The mathematical model exhibited considerable sensitivity to initial conditions, boundary condition parameters, and numerical convergence criteria, also manifesting spikes in the calculated surface velocity coefficients for discrete changes in hydraulic parameters. Finally, it was found that the 2-D version of the model is not appropriate for calculating surface velocity coefficients because it does not account for secondary flow in the channel cross-section, and the calculated surface velocity in the center of the cross-section is overestimated.     

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。     

基于动网格的活动导叶流道内湍流场数值模拟

基于任意拉格朗日欧拉框架下的二维时均N-S方程,应用非结构动网格技术,对某型号混流式水轮机活动导叶单流道内的导水机构关闭过程,进行了动态湍流数值模拟.利用CFD软件Fluent 6.3,采用非结构化三角形网格,标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的PISO算法,真实地模拟了导水机构关闭的动态过程中,活动导叶流道内的压力场和速度场的瞬态变化过程.数值计算结果表明,导水机构两段折线关闭过程中,随着活动导叶开度的减小,流场发展呈现明显的非定常特性,水流绕过活动导叶后出现强的旋涡,对过渡过程的动态特性产生了影响.该方法能有效地模拟由于活动导叶动作诱发的流场脉动.     

直立植被抗风蚀性能的测试与评价

借助移动式风蚀风洞,对直立植被的抗风蚀性能进行了原位测试.试验结果表明:在一定风速下,地表的空气动力学粗糙度随植被高度的增加呈指数增加,且随着植被高度的增加,作用于植被上的剪切力增加,而作用于地表的剪切力减少;一定高度的植被可有效地截留风沙流,农田地表的风蚀量随风速的增加呈指数增加.     

基于PANS模型的湍流Taylor-Couette流及其换热特性

以同轴圆筒环隙内流体为研究对象,通过多种湍流模型计算结果与PIV测试结果的对比分析,建立了基于局部时均化模型(PANS)的环隙内湍流流场的数值模拟方法,在此基础上重点研究了沟槽模型内湍流流场分布与换热特性,获得不同旋转雷诺数、内外壁面温度梯度对流场分布及其换热性能的影响规律,同时研究了沟槽内涡流的形成机理及沟槽区域流体速度、剪切力及热流密度分布.结果表明:当流场转捩为湍流Taylor-Couette流时,泰勒涡沿轴向呈现无规则波动运动,并且泰勒涡轴向尺寸随雷诺数及内外壁面温度梯度增加而增加,径向速度与内壁面热流密度沿轴向的变化趋势表明:径向速度引起的射流作用对内外壁面间热量交换有直接影响;环隙内流体经过沟槽区域时撞击沟槽壁面,在惯性力、黏性力及壁面剪切力相互影响下形成涡流;沟槽区域的速度与壁面剪切力的变化呈现一致性,热流密度的变化与之相反.     

高含沙水渠道测控一体化板闸测流试验及其数值模拟

为了了解测控一体化板闸在高含沙水渠道的测流精度是否满足规范要求,选取宁夏南山台扬水灌区18条测流条件较好且具有代表性的支渠,通过对比无喉道量水槽的测流结果,整理分析不同灌水时期测控一体化板闸的测流数据,采用ANSYS Fluent建立物理模型,模拟研究测控一体化板闸的水力性能随含沙量的变化规律,并结合Rubicon测控一体化板闸测流原理,分析含沙量影响测控一体化板闸测流精度的成因.结果表明:当渠道水含沙量较大时,测控一体化板闸与无喉道量水槽的测流结果偏差较大;板闸计量箱内的流速分布、湍动能、含沙量、沙粒粒径均可能影响超声波流量计的测流精度;随着含沙量的增加,测控一体化板闸计量箱内湍动能减小,但流速分布无明显变化.因此,含沙量对测控一体化板闸测流精度有一定影响,主要由超声波在含沙水中的衰减作用以及含沙水的制紊作用导致,而流速分布对其影响较小.     

滩地植被化的顺直复式河道漫滩水流计算

利用二维数学模型对滩地植被化的复式河道漫滩水流的水深平均流速的分布进行了求解。通过恒定均匀流的假设,对主流方向上的沿水深积分的紊流时均运动微分方程式进行简化得到了相应的控制方程,其中引入植被对水流作用的拖曳力项,并考虑二次流的影响。同时将复式渠道划分为3个子区域,通过联立求解各区域微分方程中的定解系数,最终得到均匀流的条件下各区水深平均流速的横向分布的解析解。通过与试验测得的资料比较,表明计算结果与实测资料吻合良好。