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。     

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。     

植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构的影响

【目的】分析植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构流态的影响,充分发挥河道水生植被功能以减缓河堤的侵蚀和水土流失的速率。【方法】建立明渠植被水流结构模型将水流液层在空间高度上分为植被层和自由层,在茎秆不同的变形状态下及流量范围内开展试验。【结果】(1)在同一茎秆倾伏角下,植被层Vv随水深h增加呈增加减少再增加最终趋于稳定的变化规律,自由层平均速度Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs随水深h的增大迅速减小后趋于稳定。(2)不同茎秆倾伏角下,植被层水力参数Vv、Rev、Frv在空间上表现出各向异性,自由层Vs、Res、Frs随植被倾伏角θ增大而减小,植被淹没临界水深h存在"滞后"现象。【结论】自由层的水流流速Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs均大于植被层;植被层水流流态为缓紊流,自由层水流流态从急紊流迅速过渡到缓紊流。     

仿舵型量水槽体形模拟研究

【目的】探索具有水流平顺、流态稳定、测流准确、水头损失小等优良特性的量水槽线形。【方法】针对基于水下装备流线型体构造的量水槽,选取4种量水槽体形,运用数值模拟方法研究不同体形的量水槽在不同流量条件下的流速分布、水面线、佛汝德数、水头损失、壅水高度等水力性能。【结果】流线型体扩散段较陡时,仿舵型量水槽的壅水高度和水头损失相对较小。不同流量条件下,4种体形的量水槽上游佛汝德数均低于0.5;壅水高度均低于3 cm;计算流量与模拟流量的平均误差为2.42%,测流精度较高,且均具有较小的水头损失。【结论】卡克斯仿舵型量水槽在各流量条件下的水面线均较为平稳且流速分布更加均匀,在不同流量条件下其水头损失均小于0.35 cm,测流精度大于98.27%,水力性能最优,可作为仿舵型量水槽的基本体形。     

基于流速分区理论的半圆形明渠测流点布控方法研究

【目的】针对半圆形渠道进行物理模型试验研究,揭示半圆形渠道沿壁面法线方向平均速度特征位置的分布规律,为非标准断面渠道测流方法提供新思路。【方法】基于不同水力条件下渠道断面流速的量测结果,从流速分区理论出发,利用经典对数公式推导半圆形渠道断面测速法线上平均流速特征位置点的理论计算公式,考虑侧壁对摩阻流速的影响,基于测定特征位置的流速从而得到整个半圆形渠道断面的平均流速。【结果】本研究提出半圆形明渠在过圆心的测速法线上平均速度特征位置的计算公式,与试验结果相比,该公式计算结果所得平均误差在10%左右,该公式能较好地反映半圆形明渠测速法线平均速度特征位置的分布特性;沿测速法线方向分析半圆形明渠断面流速分布精度更高,流速分布规律的分析也更加合理。【结论】平均流速特征位置点理论公式计算结果与模型试验结果较为吻合,公式精度较高,工程中可通过测量特定位置的点的流速进而推求断面平均流速,达到快速准确确定渠道断面流量的目的。     

床面统计粗糙特性研究

床面粗糙特性是河流动力学中的重要研究内容，其量化方法一直是研究的难点。在顺直水槽中采用非均匀天然沙铺制初始床面，并逐渐增大流量粗化床面，基于激光扫描获得的床面数字高程资料，应用统计理论以及变异函数模型探讨不同粗化程度的床面表层粗糙特性。结果表明：采用非均匀沙人工铺制的床面高程频率分布呈现出近似正态分布，经历过不同水流强度依次累积冲刷后形成的稳定粗化床面高程频率分布都出现了轻微正偏态的趋势；高程标准差随水流强度增加严格增大的特点让它可以成为量化床面粗糙特性的可靠指标；水流塑造试验床面是各向异性的，随着流量的增大，床面粗化层破坏再粗化，床面高程二维变异函数的基台值越大；由于水流的作用，横向剖面平均变异函数的基台值与块金值略大于纵向剖面高程平均变异函数，径向剖面的基台值与块金值远小于横向与纵向剖面。研究加深了对床面粗糙特性的统计规律的探索，对于建立基于统计学的粗糙度定量表达方式具有一定的启示。     

渠系节点三维流场的试验研究

渠系节点三维流场的研究,对于河流、渠道等明渠水流流场的变化规律具有重大实际指导意义。通过vectrino plus小威龙三维流速仪在不同水位及流量条件下对渠系节点进行流速观测,研究节点附近水域三维流速沿水深的分布,分析各工况下口门区、明渠段及主河道上下游表层及底层节点的三维流场的分布规律。研究结果揭示了渠系节点处水流运动的非定常特性,口门区水流结构表现为横向环流、立轴环流和次生副流的叠加,流速分布与正常明渠流动存在差异。     

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．     

不同直径圆柱体同心环状缝隙流轴向速度特性研究

为进一步探讨不同直径圆柱体中心断面同心环状缝隙流流场速度特性,通过模型试验的方法,对直径分别为50、60、70、80 mm的圆柱体在40 m~3/h的流量条件下,管道中形成的同心环状缝隙流速度特性进行研究。研究结果表明:同一流量下,环隙水流轴向速度从圆柱体外壁到管道内壁呈现先增后减的变化规律。当圆柱体直径越小时,同心环隙水流紊动混掺越强烈,轴向速度波动越大。位于附属圆柱体结构后的测试点轴向速度整体有明显的下降。     

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...     

渠底螺旋流形成及其流速结构的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术.渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物.在涡管内水流沿管方向运动,同时受到渠道水流纵向流速的影响,在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动,从而形成螺旋流.为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识,首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素,并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算,然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响,得出了关于渠底螺旋流的规律性结论.     

渠底螺旋流形成及其泥沙起动机理的分析研究

渠底涡管螺旋流排沙是利用涡管内产生的螺旋流排除渠道中来沙的一种泥沙处理技术。渠底涡管排沙的机理是水沙的惯性作用和边界条件相结合的产物。在涡管内水流沿管方向运动,同时受到渠道水流纵向流速的影响,在涡管内形成既有纵向流速又有横向流速的水流运动,从而形成螺旋流。为对渠底螺旋流形成及流速结构有一个比较深入的认识,本文首先分析了影响渠底螺旋流形成的关键因素,并通过已有的试验资料对渠底涡管内螺旋流横向流速分布进行分析计算,然后讨论了不同流量不同底坡对流速分布的影响,得出了关于渠底螺旋流的规律性结论。     

低压浑水管道输沙规律研究及水流挟沙力计算

【目的】确定输水工程适宜运行的水力条件。【方法】以巴音沟河流域输水工程为研究对象,通过数值模拟的方法研究不同泥沙质量浓度、压力条件下浑水管道输沙规律及水流挟沙力特性。【结果】(1)管道断面垂向泥沙质量浓度分布受压力、体积含沙量及管径等因素的影响;当压力及管径较小时,泥沙淤积厚度为6.3～8.0 mm,压力及管径较大时,在Y=-0.07区域以下淤积较多,淤积厚度达到8.6～9.4 mm;(2)同一管径及流速下,随着体积含沙量的增大,该区域流速梯度增大,最大增幅为14%;(3)随着水流速度增大,水流挟沙力增大,悬移质质量浓度也越大,但是悬浮指标逐渐变小。【结论】在低压浑水管道中,管径越大、泥沙质量浓度越大、压力越小,水流挟沙力越小,泥沙越容易淤积。     

泵站进水流速对2种进水方式的表面漩涡特性影响的研究

【目的】探究不同进水流速对泵站进水水流流态、漩涡的产生与发展变化规律的影响。【方法】结合泵站实际运行情况,采用NXUG10.0软件构建泵站封闭式进水流道水平进水和开敞式进水池垂直进水2种进水方式的进水物理模型及三维湍流数学模型,采用雷诺N-S方程、VOF模型和非定常的SST k-ω湍流模型。对2种进水方式下不同进水流速的进水流场分布和漩涡的产生、变化及分布规律进行了数值模拟。【结果】在满足泵站进水口临界淹没水深时,2种进水方式下的进水表面漩涡强度随着进水流速的增加逐渐增强,并对2种进水表面出现的漩涡类型与进水流速变化的区间进行了划分;封闭式进水流道水平进水流速在0.217～0.304、0.349～0.448、0.482～0.554、0.575～0.661 m/s时,漩涡类型分别为Ⅰ和Ⅱ型涡、Ⅲ和Ⅳ型涡、Ⅴ型涡、Ⅵ型涡;开敞式垂直进水流速在0.322～0.402、0.484、0.521～0.564m/s时,漩涡类型分别为Ⅲ和Ⅳ型涡、Ⅴ型涡、Ⅵ型涡,开敞式进水池垂直进水的水体中同时产生表面漩涡和水中漩涡;数值计算结果与试验结果基本吻合。【结论】对封闭式进水流道水平进水方式的泵站工程,进水流...     

翼柱型量水槽在3种常用渠道上的应用性能对比试验研究

翼柱型量水槽是一种新型量水槽,其应用在灌区具有成本低、便于修建、量水精度高的特点。【目的】探讨翼柱型量水槽在矩形渠道、梯形渠道、U形渠道上的适用范围。【方法】试验在矩形渠道、梯形渠道、U形渠道上分别设计3种收缩比的量水槽,在不同流量工况下进行试验,并对测流精度、佛汝德数、水头损失、壅水高度等进行比较分析。【结果】拟合出矩形渠道、梯形渠道、U形渠道不同收缩比量水槽的流量公式,平均误差分别为0.42%、1.34%、1.65%,均满足规范误差小于5%的要求;翼柱型量水槽在3种渠道上游佛汝德数Fr均小于0.4,在U形渠道上游Fr最小;翼柱型量水槽在3种渠道上最大临界淹没度均大于0.85,应用于U形渠道的最大临界淹没度最高;矩形渠道修筑翼柱型量水槽产生的水头损失占上游总水头比例最小。【结论】翼柱型量水槽可用于灌区节水续建配套,同一比降条件下,矩形渠道与U形渠道衔接位置应用翼柱型量水槽效果最佳。     

翼柱型量水槽水力特性分析与对比

【目的】为探究翼柱型量水槽在自由出流和淹没出流时的量水性能。【方法】试验观测10种流量条件下,量水槽进口到出口13个测流断面的水位,对自由出流和淹没出流两种工况下的水面线、佛汝德数、测流精度等水力参数进行分析与对比。【结果】自由出流状态下在断面11到断面12之间形成了临界流,流量在0.044 m3/s以下时没有产生临界流从而得到了U形渠道翼柱型量水槽的最小工作流量。翼柱型量水槽过槽流量与上游水深具有良好的相关关系,通过拟合得到了自由出流和淹没出流状态下的流量公式,其中自由出流状态下最大误差为-2.54%,淹没出流下为6.50%,二者平均误差均小于0.3%,满足现行渠道量水规范的误差要求。本文拟合的淹没出流流量公式最大淹没度高达0.958,适用范围较大。此外,U形渠道翼柱型量水槽具有较大的自由出流范围,临界淹没度可达0.890。【结论】经试验确定临界流断面位于距进口约为量水槽4倍翼高处。翼柱型量水槽可满足小比降既成渠道的测流要求,进一步解决了量水槽流量公式在淹没出流情况下测流误差较大的问题。     

U形渠道三角剖面堰数值模拟与水力性能探究

为探究U形渠道三角剖面堰量水的可靠性及其水力特性,以更好地进行灌区科学化管理,合理分配水量。基于堰流原理,通过Fluent 6.3软件,采用VOF方法和RNG k-ε湍流模型对U形渠道三角剖面堰进行三维数值模拟,并对模拟结果进行分析。对不同流量工况下沿程水面线,流速分布,佛劳德数以及水头损失进行探究分析,得到水面线在量水堰处急剧下降,同时流速增大。水流流态从缓流到急流再恢复成缓流,临界流出现在堰顶处,且最大水头损失不超过上游总水头的13%,理论分析发现各项水力特性均符合经典水力学基本原理。建立流量公式并比较分析计算流量,模拟流量和渠道流量,最大误差为13.86%,最小误差为0.03%,基本符合灌区量水堰测流的精度。     

动边界同心环状缝隙流研究

为完善同心环状缝隙流理论,采用理论分析与模型试验相结合的方法,分析了圆柱体从静止到起动再到运行过程中同心环状缝隙流速的分布特点。得出圆柱体的速度、缝隙宽度以及流量对环状缝隙流的分布和大小的影响。环状缝隙流速随缝隙宽度的增大呈现先增大后减小的趋势,缝隙宽度约在2 cm附近时,缝隙流速最大;流量越大,环状缝隙流速就越大;圆柱体的速度越大,缝隙流速也越大;环状缝隙流速在与管内水流速度和圆柱体速度相交之前最大,相交之后最小。同时建立了动边界条件下的同心环状缝隙流数学模型,计算结果与试验基本一致,最大相对误差不超过8.5%,说明该数学模型可行。     

U形渠道流速分布特性分析与试验

依据室内试验和田间实测资料,分析了U形渠道水流流速分布特性,建立了U形渠道水流横向流速分布指数律、垂向流速分布双幂律,给出了相关参数的确定方法,并提出了基于U形渠道水流分布规律的明渠测流计算断面中线“三点法”.实测资料验证表明:中线“三点法”在室内不同工况计算流量相对误差均在±4％范围内;除个别测点外,现场实测计算流量相对误差也在±5％范围内,说明中线“三点法”计算精确.与流速-面积法需9个测点相比,中线“三点法”节省了60％以上的测流工作量.     

镫口扬水灌区输水干渠来沙特性解析

内蒙古镫口扬水灌区是内蒙古自治区的大型灌区,近年来渠道泥沙淤积严重,严重影响灌区灌溉运行。【目的】探明水沙条件与渠道淤积之间的关系,保障灌区的正常运行,提高灌区灌溉水利用效率。【方法】在取水口,通过对灌水期前后测定水位来确定淤积厚度以及对泵站进水口泥沙野外监测及采样分析,并测定了流速及流量,室内分析了泥沙颗粒级配及特性等,综合分析确定了取水口来沙特性。【结果】由于停泵时间长、水流含沙量高,第1和第4灌水期前,泵站进水口前泥沙淤积厚度最厚;同时,由于泵站运行的抽吸作用,进入总干渠的泥沙量也最多,近80%以上为粒径小于50μm的细砂,只有约20%为泥沙粒径大于50μm的粗砂。泵站运行流量越大,停水时取水口淤积厚度越小,进入渠道的泥沙越多。在来水来沙条件不变的情况下,取水口淤积厚度受停泵时间影响,与停泵时长成正比;随着泵站的运行,在一定的含沙量下,存在一定的渠道不冲不淤临界流量。【结论】因此在缓减干渠淤积方面需要有特定的工程和管理措施。