坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

人工加糙床面薄层滚波流水力学特性试验

为了探求坡面薄层水流水力特性,从流体力学与泥沙运动学观点出发,研究均匀粗糙尺度床面（人工加糙粒径为0.380 mm）,5种不同坡度和17种单宽流量下坡面薄层水流水力学参数变化规律。结果表明：坡面薄层水流流态指数在0.33~0.43之间变化,水力关系可用流态指数综合反映;滚波流速随着流量增加逐渐增加,坡度对其影响较小;波长随着流量呈单驼峰形式变化,即先随流量的增加而增加,达到峰值后又减小,峰值对应的单宽流量为0.278 L/(s·m);滚波频率随流程的增加逐渐衰减,同时随着单宽流量的增加,平均衰减系数增大;试验条件下层流失稳产生的临界弗劳德数在0.64左右,紊流失稳临界弗劳德数在2.13左右。     

表面张力对坡面薄层水流临界雷诺数的影响

[目的]探究坡面薄层水流流态判别时表面张力的作用。[方法]采用比较作用力大小的理论方法。在比较表面张力(未降雨条件下)在运动方向上的所体现的表面波阻力与黏滞力大小的基础上,基于相关文献试验及数值模拟结果,分析波长、波高与水深的定量关系。[结果](1)层紊流判别临界雷诺数与弗劳德数、滚波波长、波高有关。(2)滚波发生条件(Fr≥2),坡面薄层水流临界雷诺数大于明渠水流临界雷诺数。[结论]滚波发生后坡面薄层水流临界雷诺数最大值为明渠水流的1.187 5倍。     

坡面径流调控薄层水流水力学特性试验

为澄清复杂地表的水流运动过程、水流水力学参数受流量及地表状况的影响,该研究采用野外标准径流小区实地放水冲刷试验,研究了鱼鳞坑、苜蓿草地、秸秆覆盖不同径流调控措施的坡面薄层水流水动力学特性的变化规律,包括水流流速、水深、流态、阻力系数。研究结果表明：坡面薄层水流的平均流速与水深主要受流量控制,其二者之间呈现幂函数关系;地表状况与流量大小直接影响着坡面流态,对于裸地与鱼鳞坑坡面,流量较小时属于层流与缓流,在流量达到3.0 m3/h时,属于过渡流、紊流和急流;而苜蓿草地、秸秆覆盖坡面均属于层流和缓流;并提出复杂坡面的阻力系数由颗粒阻力、形态阻力、波阻力叠加而成,其大小主要受地表状况影响;阻力系数与土壤侵蚀率呈现良好对数关系。总之,坡面采取径流调控措施后,其地表抗侵蚀力和泥沙搬运的能力明显强于裸地,径流流速明显降低,水流流态明显平缓,水流受阻力显著增加。研究结果对于揭示不同径流调控措施对坡面拦泥蓄水、减流减沙及侵蚀动力学机制有着重要的理论基础和实践指导意义。     

黄土坡面水力学特征参数与土壤侵蚀量间关系研究

 通过室内人工降雨模拟试验,研究黄土坡面水流的水力学特征参数与土壤侵蚀量间的关系。结果表明:随着放水流量的增加,出口断面平均流速、雷诺数在逐渐增大,弗劳德数在逐渐减小,坡面流流态也从层流状态逐渐过渡到紊流状态,当放水流量在10.1～19.9L/min范围内时,坡面水流的流态为层流与紊流之间的混和状态;出口断面的平均流速随着放水流量的增加而增大,二者之间呈良好的幂函数关系;黄土坡面的累计泥沙侵蚀总量随着雷诺数的增加而增大,二者呈幂函数关系;单宽土壤侵蚀产沙量与雷诺数之间拟合关系的好坏受雷诺数取值的影响,当雷诺数的值在临界雷诺数（取500）附近时,单宽土壤侵蚀产沙量与雷诺数之间的负相关性良好。研究结果不仅可以揭示土壤侵蚀水动力过程的内在机制,而且对黄土高原地区生态环境建设具有重要的现实意义。     

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。     

基于边缘检测算法的坡面薄层水流深度测量系统研制

为了准确高效地测定坡面薄层水流断面位置上的水深，该研究利用"一"字线激光器、高分辨率工业摄像机获取激光线边缘像素点坐标数据，基于Python语言与OpenCV计算机视觉库进行边缘检测算法编程，通过分析、计算薄层水流表面激光线偏移量与水深间的函数关系，构建坡面薄层水流深度测量系统，并利用人工测量方法（测针法与染色法）对该系统测定结果的精确性与稳定性进行验证。结果表明，坡面薄层水流深度测量系统对标准水深进行标定的变异系数均值为6.64%，具有较高的稳定性；在光滑床面上的测定结果与人工测量方法相比，相对均方差误差、平均相对误差与平均绝对误差均不超过0.2，水深测量系统与测针法、染色法对比所得纳什效率系数分别达到了0.922与0.972，说明水深测量系统与人工测量方法具有较好的一致性与相关性，能够满足定床测量坡面薄层水流深度的需求，在坡面水动力学研究中具有较好的应用前景。     

坡面薄层径流最小侵蚀临界值及主要影响因子研究

通过8组坡度、5种水深及5种糙率情况下坡面薄层径流流态变化特征的实验研究,得出薄层径流的临界雷诺数为1000,对应的径流属层流时,水深上限为3 mm,通过水深、糙率及坡度对雷诺数作用特征分析可知,雷诺数与水深、坡度的变化成正比,与糙率的变化成反比;水深的作用明显大于后两者,影响因子共同作用下,雷诺数的变化规律可用公式Re=2.331 H^1.41n^-0.973S^0.486-288.17来描述。     

急陡黄土坡面薄层水流水力学参数变化特征

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min~(-1)、1.5 mm min~(-1)和2.0 mm min~(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的变化规律。结果表明:(1)坡度相同时,流速随雨强的增加而增大;雨强相同时,坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应(40°~45°),小于临界坡度,流速随坡度的增加而增大,大于临界坡度,流速随坡度增加而减小。(2)各坡度条件下,坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势;相同雨强时,径流深随坡度的增大有减小趋势。(3)黄土急陡坡坡面雷诺数(Re)整体较小(远小于580),试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区;弗劳德数(Fr)大于0.8,薄层水流属于急流。(4)阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大,随着坡度的增加而减小。(5)方差分析结果显示,雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响(p0.01),但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制,而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。     

试论初生侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特性

从水力学与泥沙运动力学观点，对初生态侵蚀性坡面薄层水流的基本动力特性，如流产；充态、临界水深、阻力系数等几个基本问题，作了半理论性探讨。     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响

基于流体力学和水力学基本理论,通过6个糙度、5个流量和5种雨强组合条件下的放水冲刷和模拟降雨试验,研究雨强和糙度对坡面流水动力学特性的影响。结果表明:在坡面薄层水流中,床面糙度对坡面流阻力有"增阻"效应,但在粗糙尺度为1.77 mm时产生拐点;降雨条件下,坡面流自由表面失稳的动态演化过程显著,其波动临界条件为黏深比0.382 4、0.599 3,在整个动态过程中阻力系数都随着降雨强度增加而减小;结合黏滞阻力、雨强阻力构建层流过渡区阻力计算公式,决定系数为0.92(P0.05),可以较好地为坡面流模型的建立提供参考依据。研究成果有助于从泥沙运动力学的角度揭示坡面流层流失稳的本质,为坡面流理论的发展奠定基础。     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。     

基于诊断函数的薄层流对数律研究

薄层流是一种特殊形态的明渠流,其特点是水深浅薄。为探讨薄层流流速分布是否满足对数律,该研究利用高分辨率粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,分析8组薄层流(水深0.49～1.1 cm,雷诺数835～2 877)及1组深水明渠紊流(对照)床面至水面的流速分布、紊动强度及雷诺应力。并基于诊断函数,研究薄层流流速是否满足对数律、对数区的范围及卡门常数变化规律。结果表明,薄层流的无量纲流速从过渡区开始偏离深水明渠水流中的理论曲线;薄层流的流向紊动强度大于深水明渠紊流,但垂向紊动强度小于深水明渠紊流,随着水深的增加,两者的紊动强度逐渐重合;雷诺应力的特征表明,随着水深的增加,受黏性力影响的范围越来越小。薄层流诊断函数曲线的特征说明薄层流中不存在严格意义的对数区,但当水深极浅时(水深≤0.53 cm),流速基本满足对数律,且卡门常数在0.2～0.3范围内。当水深和雷诺数增加,薄层流诊断函数曲线出现波动而不再近似水平。为方便实际计算,若允许诊断函数有一定的倾斜,对数区在极大值与极小值之间的范围,薄层流的卡门常数随着雷诺数的增加而增加。此外,薄层流对数区的范围并非稳定,随着雷诺数的增加,对数区影响的范围变大。该研究可为薄层流的理论研究和流速计算提供参考。     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。     

迷宫灌水器水流流态试验

为分析迷宫灌水器流道内水流流态及其相互转换的临界雷诺数,该文对5种流道尺寸的模型中水流流动现象进行观测与分析,并进一步分析了迷宫流道内水流水头损失与断面平均流速之间的关系以及相应断面尺寸直流道内水流沿程水头损失与断面平均流速之间的关系。结果表明:迷宫灌水器不断转折的流道对水流有很大的干扰,可以使其中水流在雷诺数为41.5时就失去稳定转变为过渡区;迷宫流道进口段单元中可能出现层流,出现层流的单元数占总单元数的10%～12%。从整体来看,可认为迷宫灌水器中水流流态为紊流或过渡区;与经典雷诺试验结果不同,迷宫流道中水流水头损失与断面平均流速的2.0～2.5次方成比例;迷宫灌水器的流态指数可达到0.4～0.5;该试验迷宫流道中水流过渡区与紊流区相互转换的临界雷诺数为87.5～125.0。     

黄土坡面细沟水流流型试验研究

采用组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟水流流型进行了试验研究。结果表明:(1)细沟水流流型判别指标雷诺数随径流历时的变化,在不同雨强及不同坡度下皆表现为先增大随后转为较平稳的变化过程,皆可用幂函数方程描述;(2)细沟水流平均雷诺数分别随雨强及坡度增大而增大,均可用对数方程很好地描述,随雨强及坡度的变化可用二元幂函数方程描述;(3)细沟水流在不同雨强下几乎一直处于层流状态,两个最大雨强在产流开始9min后变为过渡流,而在不同坡度下也一直处于层流状态,两个最大坡度在产流开始15min后变为过渡流;(4)在试验雨强及坡度条件下,一次降雨径流过程的细沟水流平均雷诺数变化范围为327~457,表明细沟水流流型在试验条件下大致处于层流状态。细沟水流雷诺数随流量的变化呈显著的线性正相关关系。