基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究

在土壤侵蚀和水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数，目前尚无广泛应用的径流流速测量仪，研究快速的径流流速测量具有重要意义。该文基于互相关理论，建立了基于虚拟仪器Lab VIEW的径流流速的测量系统，并采用自制的电导式传感器，研究了两传感器间距对测量系统的影响，测量了5个泥沙含量水平下的径流流速。结果表明：测量系统适用的泥沙含量范围为0～250 kg/m³，测量误差为4.5%；若以染料示踪法测量的流速作为标准值进行修正，修正后的测量误差为3.81%。     

坡面侵蚀动力学及其相关参数的探讨

 从分析坡面水流形态动力学特性着手,对比土壤侵蚀临界坡度的研究;概述土壤侵蚀的机制,以及坡面水流中水流速度、泥沙含量和下垫面三者相互作用的关系。发现及时、准确和动态地测量水流速度和泥沙含量,是分析这些复杂关系的关键,它使定量研究坡面土壤侵蚀的机理成为可能。     

基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模拟

为建立基于智能体和元胞自动机(Agent-CA)的鱼道内鱼类行为模型,该研究以计算流体力学软件得到的水流流场数据为基础,根据过鱼试验研究认识到的鱼上溯行为特征和规律,定义了不同场景下鱼的避开障碍、寻找主流、逆流向前、逆流后退、冲刺、随机6种行为和行为规则,将鱼道划分成多个二维元胞空间,将元胞空间中元胞状态为"鱼"的网格看作是一个智能体(Agent)。在3种体型的竖缝式鱼道中应用该模型对草鱼幼鱼的上溯行为进行模拟,并将模拟结果与实际过鱼轨迹进行对比。结果表明:该研究构建的模型能够较好地描述实际过鱼的主要上溯轨迹,针对3种体型竖缝式鱼道的模拟特征轨迹范围相对误差分别为23.5%、7.7%和2.3%。本研究提出的基于智能体和元胞自动机的鱼道内鱼类行为模型具有较好的适用性,可为鱼类行为模拟研究提供重要基础数据。     

不同糙率坡面水力学特征的试验研究

在室内试验的基础上,采用定床阻力试验研究了坡面流水力学参数(雷诺数、佛汝德数、阻力系数和流速)随床面糙率、流量和坡度的变化规律。初步得出以下结论:(1)在床面和流量相同条件下,坡面流雷诺数和佛汝德数均随坡度的增加而增大。(2)在坡度和流量相同情况下,随着坡面粗糙度增加,坡面流雷诺数和佛汝德数均呈减小趋势;同时水流流速减小,阻力系数增大,这说明水流克服阻力做功所消耗的能量也增加。     

基于转轮进口水流角的贯流水轮机最优工况应用

贯流式水轮机是农村小水电电网中的重要组成部分,其低水头、大流量的特点,易导致电站机组效率低下、出力降低。而贯流式水轮机运行中的最优运行问题很少引起学者关注,目前最优工况的研究仅仅局限于某点或线。该文从转轮水力损失的角度,理论上分析了影响贯流式水轮机效率的翼型阻力损失、端部损失与撞击损失,依据现场实际导叶与桨叶翼型,在定水头、定桨叶方式下,通过改变转轮进口水流角,对转轮进、出口速度三角形进行计算,从能量角度,进行工况优化,得到转轮10°工况下导叶在53.9°~58.8°的最优特性区域,效率可提高约3%~8%。利用数值仿真技术,对其工况做相应的数值仿真,并进行流场分析,在此基础上,进行真机试验,结果与理论分析相符,与数值仿真计算的误差小于2%,采用此方法对电站机组的全工况进行了计算,全工况范围内进行区域工况优化,得到转轮在7°~42°,导叶在0~78°的最优特性曲线,通过一段时间运行,数据显示机组的能量特性与稳定性效果比较理想。     

坡面薄层水流流态判定方法的初步探讨

为了研究坡面薄层水流流态的判定方法，从水力学与泥沙动力学观点出发，在4种不同坡度有机玻璃床面与人工粗糙床面(砂粒粒径为0.5～1 mm)上对坡面薄层水流进行了试验研究，并应用水力学二元流雷诺数与泥沙动力学绕流雷诺数对坡面薄层水流流态进行了分析比较，研究结果表明绕流雷诺数能较好反映坡面薄层水流流态。     

玉米芯的热解特性及气相产物的释放规律

为了全面掌握不同热解条件下玉米芯的热解特性及热解过程中气相产物随温度变化的释放规律,深刻理解玉米芯的热解行为及反应机理,该文采用热重-质谱联用技术对玉米芯进行了氮气气氛下的热解特性试验研究,对比研究了不同升温速率(5、10、20℃/min)、不同粒度(74、154、280、450μm)、不同气体流速(30、60、90 m L/min)等因素对玉米芯热解行为的影响,发现非等温失重过程可分为4个阶段:失水、预热解过渡、挥发分析出和炭化阶段。通过质谱分析研究了热解过程小分子气相产物(CO、CO2、CH4、O2、H2、H2O)的释放规律,并计算了挥发分释放指数。升温速率升高,热解反应越易进行;在粒度小于450μm范围内,试样热解的总失重率随粒度的增大而增加,而且颗粒越大,挥发分产物开始逸出的温度越低。粒度为154~450μm的试样的热解过程主要受颗粒内部热传递影响,而粒度154μm的试样的热解主要受内在反应动力学速率控制;随着气体流速升高,试样热解的总失重率和初始温度增大,但增幅很小,最大失重速率对应的温度也有向高温段移动的趋势。利用Coats-Redfern方法计算出玉米芯的热解动力学参数,说明玉米芯热解的挥发分析出阶段可用单段一级反应描述。该研究对于优化以玉米芯为原料的热化学转化工艺参数和提高燃料产物的产量与品质等具有重要意义,对于设计和开发高效的生物质能转化设备也可提供参考。     

基于FLOW-3D的田间便携式短喉槽水力性能数值模拟

田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术,但由于试验条件、测量方法和精度的限制,传统的水工模型试验分析田间量水设施的水力性能存在一定局限性。该文基于FLOW-3D软件,采用RNG k-ε三维湍流模型、Tru VOF方法、FAVOR(fractional area volume obstacle representation)技术模拟喉口宽度为51 mm的田间便携式短喉槽过槽水流的三维流场。与试验结果对比表明:过流能力、水流流态以及水深与试验结果较为吻合,误差小于10%,采用的数值模拟方法能够有效地模拟田间便携式短喉槽水力性能,在确定数值模拟可靠性的前提下,对其水力性能进行分析。数值模拟结果显示:佛汝德数、流速在自由出流工况下沿程增大,在淹没出流条件下先增大后减小,并由佛汝德数分析结果确定了临界水深断面所在区域为喉口段后半部分;通过回归分析得到的田间便携式短喉槽上游水深与流量计算公式最大测流误差为-5.63%,满足灌区量水精度的要求;该量水槽最大水头损失占总水头的12.10%,相比于长喉道量水槽的13%较小。该研究对提高量水设备研发效率、降低研发成本与周期、促进中国灌区流量精准测量设备的推广具有实用价值。     

砂姜黑土区采煤塌陷坡耕地水蚀输沙过程研究

选择淮北平原砂姜黑土区某煤矿2种不同开采方式(充填开采和非充填开采)工作面地表塌陷坡耕地,通过现场调查和采样分析,动态监测表层(0-10cm)土壤黏粒含量,研究黏粒含量在采煤塌陷坡耕地形成过程中的时空变化。同时在实验室应用人工模拟降雨试验,测定不同降雨强度(强降雨0.309mm/min,弱降雨0.147mm/min)和坡度(3°,5°和10°)处理下的坡面径流含沙量与土壤剥蚀率,探讨坡耕地水蚀输沙过程特征。结果表明:(1)研究区砂姜黑土黏粒含量为37%~46%,塌陷坡耕地坡面表土黏粒含量随时间推进呈缓慢下降。(2)雨强和坡度为影响砂姜黑土区坡耕地径流含沙量变化的主要驱动力。相同坡度,强降雨条件下水流含沙量为弱降雨时的10倍左右;坡度为3°和5°时的水流含沙量变化趋势一致,而坡度为10°时,试验不同时段的水流含沙量不稳定,尤其是强降雨条件下,在试验4min后水流含沙量急剧增加,至7min已达28.9g/L,为径流初期的15倍以上。(3)砂姜黑土与高原黄土、川中紫色土和南方红壤坡地土壤雨水侵蚀特征一致。但在耕作因素影响下,充填或非充填开采工作面地表塌陷坡耕地土壤流失量均较轻微。     

基于特征线法的畦灌施肥地表水流溶质运移模型研究

为实现畦灌施肥技术参数的优化组合,建立合理的模型工具至关重要.基于零惯性量模型和一维对流弥散方程ADE作为畦灌施肥水流和溶质运移方程,分别利用有限差和特征线法进行求解,建立基于特征线法的畦灌施肥地表水流溶质运移模型.以隐式有限差解法为对照,对特征线法引入的数值误差状况进行评价.结果表明,相对于隐式有限差解法,采取特征线法求解ADE时引入的数值震荡和数值弥散有显著减少,基于特征线法的畦灌施肥地表水流溶质运移模型更合理.