土壤侵蚀模拟试验的小型水槽设计

通过设计实例,介绍了用于土壤侵蚀室内模拟试验的小型冲蚀水槽的设计方法。该试验装置可用于土壤侵蚀的填土冲蚀试验、薄层水流的水流特性试验和薄层水流的夹沙输沙试验,并且可以进行绿篱拦挡条件下的浅沟侵蚀试验。试验坡度可在1°、5°、10°、15°、25°调节,冲水流量在0～0.2m3/min可调,泥沙浓度在0～100g/L可调。该试验装置的设计可为土工试验设计大型冲蚀水槽和更小型的冲蚀水槽提供一定的设计思路,从而更好地为土壤侵蚀的室内模拟试验服务。      

FLOW-3D气泡流模型关键参数敏感性探究

为了探究FLOW-3D气泡流模型的黑匣子细节，以45°陡槽均匀流的试验数据为参考，对计算结果对临界韦伯数、临界毛细管数、初始气泡直径、拖曳阻力系数和Richardson-Zaki调节系数等模型参数的敏感性进行了探究。结果表明：明渠掺气水流中气泡尺寸主要受临界毛细管数控制，临界韦伯数仅在掺气水面附近对气泡大小有微弱影响。拖曳系数和Richardson-Zaki调节系数对结果的影响较大，而临界毛细管数、临界韦伯数以及气泡初始直径对计算结果的影响则相对较小。大于默认值的拖曳系数和Richardson-Zaki调节系数会提高湍流强度并增加掺气，但小于默认值的参数对计算结果的影响更为显著。因此，在使用FLOW-3D进行掺气水流模拟时，应主要对拖曳系数和Richardson-Zaki调节系数进行调校，以提高模型的准确性。     

基于立体摄影技术的细沟与细沟水流参数测量

细沟和细沟水流参数的准确测量可为深化坡面土壤侵蚀过程研究提供重要理论依据。基于立体摄影测量技术,以坡度为15°和20°的黄土坡面为研究对象,采用人工模拟径流冲刷的方法,对比不同时刻坡面的高精度数字高程模型DEM,提出了动床条件下坡面细沟宽度、深度以及细沟水流宽度、深度的测量和计算方法,分析了2个坡度处理下坡面细沟形态、细沟水流特征及其变化规律,探讨了立体摄影测量技术与其他测量技术在细沟形态及径流特征参数测量方面的异同。结果表明:经过比例尺的校正,可以在垂直拍摄的立体摄影照片上直接准确测量细沟宽度和细沟水流宽度;运用内插法,立体摄影测量技术能较准确地测量细沟深度和细沟水流深度的实时动态变化。随坡长的增加,细沟深度逐渐增大,而细沟水流深度则无明显变化趋势;细沟宽度随坡长的增加呈先增大后减小的变化趋势,而细沟水流宽度逐渐减小;20°坡度下细沟宽度和深度的增加速率分别是15°坡度下的1.7倍和1.3倍;同20°坡度相比,15°坡度条件下的细沟水流的宽度增加了1.7%~13.1%,而2个试验坡度下的细沟水流深度无明显差异。     

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。     

含沙量对坡面流水动力学特性的影响研究

基于系列室内水槽冲刷试验,定量研究了在9°坡度、不同流量条件下含沙量对坡面流水动力学参数的影响。结果表明:随含沙量增加,水流雷诺数Re减小,水流紊动强度减弱。弗劳德数、水流流速及流速修正系数α随含沙量增加先呈减小趋势,当含沙量S>300 kg/m3时,各值均突然增大,并随含沙量的进一步增加趋于稳定,表明此时水流型态发生变化,α均值为0.554。含沙水流和清水水流能量损失比较标准不同,得到的结论也不相同。当S<300 kg/m3时,以相同Re或相同单宽流量作为比较标准,含沙水流阻力系数均大于清水对应值;当S>300 kg/m3时,以相同的Re作为比较标准,则含沙水流阻力系数小于清水对应值,以相同的单宽流量作为比较标准,则含沙水流阻力系数大于清水对应值。     

汇流角对双向流道灌水器水力性能影响模拟研究

为探明双向流道汇流角对灌水器水力性能的影响,采用数值模拟分析方法,研究6组汇流角度下双向流道灌水器水力性能及抗堵性能变化规律。结果表明：随着双向流道汇流角的增大,灌水器流量系数及流态指数均逐渐增大,当汇流角为45°、60°、90°、105°时,灌水器流态指数约为0.5,当汇流角为135°、165°时,灌水器流态指数大于0.7;灌水器双向流道存在主流区与旋涡区,随着汇流角的增大,流道内低速旋涡区范围明显减小,水流对冲消能作用减弱;流道内固体颗粒运动轨迹随流道结构变化明显。在汇流角小于90°时,颗粒更易进入旋涡区做涡团运动,且主要出现在靠近流道进水口的流道单元,灌水器发生流道堵塞的概率很大。水流汇流角度大于90°时,水流携沙能力增强,颗粒在流道内停留时间减小,流道抗堵能力增强。双向流道灌水器在汇流角为105°时,具有相对优异的水力性能和抗堵性能,灌水器流道设计时可优先考虑。     

不同示踪法测量砾石层中水流流速研究

采用室内试验,用平均粒径约2cm的砾石,在长4m、宽15cm、高50cm的水槽内堆积厚为5cm的砾石层,在坡度为4°、8°、12°和流量为3、6、12L/min条件下,距离电解质脉冲发生器0.3、0.6、0.9、1.2、1.5m处放置探针,测量电导率变化过程,计算水流的最大流速、优势流速和平均流速,并用染色剂示踪法对比砾石层中水流的最大测量流速。结果表明,试验所用各工况,流量对流速的影响不显著,坡度增大,流速明显增大。试验条件下,水流的优势流速变化范围为0.031~0.070m/s,优势流速与最大流速的比值稳定,在0.81~0.83之间。平均流速与优势流速的比值随坡长的增加逐渐增大,增长的速率逐渐减小并趋于稳定。平均流速与最大流速的比值在0.68~0.78之间,并随距离的增加稍有增大。     

15°斜轴泵装置特性试验

结合广东省惠州市文头岭大型排涝泵站,对经过CFD数值模拟优化后的斜式进水与斜式出水流道匹配组成的15°斜轴模型泵装置进行了能量试验、汽蚀试验和飞逸特性试验研究．通过特性试验研究得出了模型及原型装置的能量特性曲线、3个不同叶片角度下特征扬程的临界汽蚀余量及0°叶片角下最大装置扬程的飞逸转速．试验结果表明,该泵装置最高效率随叶片角度减小而增大,叶片角-4°时的最高效率可达80％左右,泵站进、出水流道型线设计合理,汽蚀性能优良,飞逸转速安全,15°斜轴泵装置性能优越．提出的斜轴泵装置对同类低扬程泵站水力优化设计具有重要的参考价值．     

灌排双向立式泵装置内部水流压力脉动特性

通过物理模型试验方法研究灌排双向立式轴流泵装置内部压力脉动特性.在进水流道前端、导叶体出口和出水流道后端壁面上布置3个压力脉动测点.在额定转速为1 450 r/min时,对5个不同叶片安放角度下能量试验的压力脉动、叶片安放角为-4°时不同特征工况点空化试验的压力脉动,以及3种不同转速的压力脉动等进行了测试和分析.测试结果表明：进水流道前端、出水流道后端和导叶体出口处的最大压力脉动相对幅值分别为0.22,1.10和1.20.在不同叶片安放角度时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随流量的增大而增大;而导叶体出口处的压力脉动相对幅值随流量的增大,先减小后增大,其最小值出现在最优工况点对应的区域.在空化试验情况下,当泵装置进口压力降低至某一值后,导叶体出口处的压力脉动相对幅值开始增大.不同转速时,各测点的压力脉动相对幅值随扬程的变化趋势相同.在相同扬程时,进水流道前端和出水流道后端的压力脉动相对幅值随转速的增大而增大,然而未发现导叶体出口处的压力脉动相对幅值与转速的变化有明显的规律.     

台阶式溢洪道流速水头沿程变化研究

水流的流速水头是重要的水力参数,可一定程度上反映水流的能量。为研究台阶溢洪道过流断面流速水头的沿程变化规律,将其与同体型的光滑溢洪道流速水头进行对比,引入相对流速水头的概念。通过对26.6°、33.7°、38.7°、48.0°四组坡度,0.5、1.0、2.0 m三种台阶高度的台阶式溢洪道,在单宽流量17.25~62.18 m2/s之间进行模型试验研究。结果表明台阶的流速水头沿程呈现曲线规律,关系复杂不便应用;而非均匀流段上相对流速水头与流程长度呈现良好的线性递增关系,相关系数R2为0.994 8~0.998 8。台阶部分对水流的阻碍效果随单宽流量的减小增大,而与台阶高度、坡度呈递增关系,其中坡度的影响最显著。试验证实了引入相对流速水头的必要性,为台阶溢洪道水力特性的研究提供了依据。     

砒砂岩坡面薄层水流水力冲刷特性试验研究

试验利用室内变坡度水槽,选取5种(5°,10°,15°,25°,35°)坡度和5种(280,420,550,650,900 L/h)流量进行25组叠加组合模拟室内薄层水流冲刷试验.结果表明:坡度一定时,冲蚀率随流量递增,增长幅度受坡度影响,在15°～35°存在着临界坡度值;无降雨条件下小于临界坡度时,冲蚀率与能坡之间满足多项式关系;冲蚀过程中坡面薄层水流流态属于层流中的急流,冲蚀细沟的产生与水流弗罗德数和雷诺数有关;小于10°时,水流剪切应力和水流功率不受流量的影响,小于420 L/h时,坡度的影响也并不是特别明显,坡度对流速的影响大于流量的影响,这导致了坡度对单位水流功率的影响更大;单宽流量与能坡对冲蚀率的影响较大,并建立了冲蚀率的拟合模型,此模型可以满足砒砂岩大角度的冲刷.     

仰角可调摇臂式喷头水力性能试验

在不改变喷头原有结构的基础上,设计了一种由上支撑杆、下支撑杆、限位杆、柔性波纹管组件、内螺纹空心轴、定位螺钉、调节螺钉等组成的喷头仰角调节机构,实现喷头仰角在13°、18°、23°、30°4个角度的调节,并对安装了该机构的喷头进行了水力性能试验。结果表明,喷头仰角为23°时,不同工作压力下喷头的射程均最大;在23°与30°时组合均匀度系数相对较大,最利于组合喷灌。不同工作压力下,平均喷灌强度随着喷头仰角的减小而增大。喷头仰角由23°减小到13°时,喷头喷洒水滴的飘移损失减小,平均喷灌强度增加,因此喷头仰角减小可以增强其抗风、抗坡能力。仰角越小,喷头射程末端降水量变化越剧烈,导致喷头喷洒降水量分布不均,所以仰角调节不宜过小。安装了仰角调节机构的喷头在各象限的转动误差均小于±10%,其转动均匀性符合要求。     

多功能消防水枪设计原理

利用使水流产生预旋的原理使直流水枪增加喷雾功能，调节预旋装置可改变雾化角，并实现直流、喷雾功能的转换。采用圆环缝隙出流，使部分水流从喷嘴四周喷出，形成可调节的伞形开花水流。这一水枪集直流、喷雾、人员保护开花水流于一身，是一种可同时用于扑灭火灾、保护消防人员安全的新型多功能消防水枪。     

轴流泵装置虹吸式出水流道内流机理数值分析

为研究轴流泵对虹吸式出水流道内部流动特性的影响机理,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对虹吸式轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与虹吸式出水流道内流相互影响的条件下定性地分析了虹吸式出水流道的流场特征,定量地研究了导叶体出口剩余环量和流量对虹吸式出水流道水力损失的影响,给出了相应的数学关系模型,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。结果表明:受导叶体出口剩余环量和流量的双重作用虹吸式出水流道内部流态差异较大,虹吸式出水流道的水力损失主要集中于驼峰断面前的过流通道。各工况时虹吸式出水流道驼峰断面的速度加权平均角的均值为52.34°,不同工况时速度加权平均角变化范围仅在0.1°~2.3°之间。随流量系数的增大,驼峰断面的轴向速度分布均匀度逐渐增大,导叶体出口剩余环量则先减小后增大,在高效工况范围内导叶体出口剩余环量存在最小值。导叶体出口剩余环量通过影响虹吸式出水流道内部流态而对出水流道水力损失产生影响,虹吸式出水流道的水力损失与流量未呈二次方关系。     

新型开敞式泵装置模型试验与内流分析

针对新型开敞式轴流泵装置,设计和制作模型泵装置,测得5个叶片角度下模型泵装置的动力特性、3个叶片角度下的汽蚀特性和叶片角-2°下的飞逸特性。研究结果表明,该形式轴流泵装置在装置扬程1.86~3.8m具有较高的装置效率,在叶片角-4°时的最高效率可达74.4%,较大范围运行工况下的汽蚀性能优良,单位飞逸转速298.7r/min,事故飞逸安全。利用三维湍流数值模拟得到了叶片角度0°整体泵装置外特性和内部流动特征,并与试验结果进行了比较。结果表明,设计工况下两者较吻合,偏离设计工况有一定偏差,但效率偏差均小于1.6%;钟形进水流道流态较好,但出水流道存在两个漩涡流,流态相对较差。研究结果对大型排涝泵站的优化设计具有重要参考价值。     

溢洪道转弯出水渠体型及出口防冲措施优化研究

西洋河水库除险加固工程新建溢洪道通过出水渠转弯将下泄水流在京新高速前导入下游河床，转弯角度达54°。初设方案水工模型试验中弯道水流明显偏向左侧，渠内水流出现波状分界，两侧边墙出现回流，流态较差，导致出口水流扩散后左侧冲向高速桥墩，下游河床冲刷严重，无法满足消能防冲要求。采用FLOW-3D软件对出水渠体型优化方案进行了数值模拟，并进行了推荐方案的物理模型试验。研究成果表明：优化后的矩形断面平坡出水渠，水流束窄效果较好，渠内回流消失，流态明显改善。出水渠体型优化后渠内流速增大明显，因此针对下游防冲措施进行了不同方案对比，并推荐了可行方案。     

调流墙对微灌用沉沙池水流流态的影响分析研究

微灌沉沙池是为了直接利用地表水资源作为微灌系统灌溉水源而提出的一种新型泥沙处理技术。泥沙在沉沙池中沉降效果的好坏,与池内水流流场分布直接有关。为使沉沙池内水流流场分布更利于泥沙的沉降,对传统沉沙池进行了改进,在沉沙池工作段首部加设调流墙来对入池水流进行调节,对其调节机理进行了分析研究,并通过室内模型试验验证其调节效果。对试验结果进行分析,表明经过调流墙调节后的水流流场分布更利于泥沙在沉沙池内的沉降,可为工程设计提供参考。     

斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台设计

根据贵州山地辣椒种植的辣椒收获需要,设计一台小型、适合山地作业的斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台。试验台主要用于对斜置双螺旋辣椒收获原理进行试验,通过调节试验台螺旋辊倾斜角度、螺旋梳指长度及螺旋辊转速得到辣椒的采摘数据,进一步研究其漏采率、破损率等关键技术参数。试验台螺旋辊倾斜角度调节值为30°、35°、40°、45°、50°、55°,螺旋梳指长度调节值为105、110、115、120、125、130mm,螺旋辊转速调节范围为150～300r/min,两螺旋滚间距调节范围为220、230、240、250、260、270mm。     

节水承插式折角弯管水流流动特性研究

对DN50承插弯管进行流动特性试验研究,采用Relizablek-ε湍流模型对其数值模拟,数值模拟结果与试验吻合较好.接着对DN20、DN40、DN63、DN75规格45°、60°、90°折管水流进行了数值模拟,通过可视化分析发现,折角弯管流场在弯曲段下游发生回流现象,下游50 mm横截面处有一对对称、悬向相反的涡旋....     

集中水流冲刷条件下浅沟径流流速特征研究

在室内不同坡度和径流流量条件下,用电解质示踪法和染色剂示踪法进行浅沟径流流速测量的对比研究.用采自北京的粉壤土在室内试验模拟浅沟侵蚀,测量并计算浅沟径流流速.在坡度5°、10°、20°,流量64、128、256 L/min条件下,进行浅沟水流流速的测定试验.测量结果表明,浅沟径流流速随坡长增加略有减小,随流量和坡度增大而增大.电解质示踪法测量得到的流速在0.55 ～ 1.60m/s之间,而染色剂示踪法测量得到的流速为0.71～1.45 m/s,染色剂示踪法测量得到的流速略小于电解质示踪法测量结果.考虑到浅沟水流对示踪剂稀释及紊流对水流的扰动造成的视觉影响,电解质示踪法测量的流速具有其合理性.