基于相关法的坡面径流流速测量系统

坡面径流流速是土壤侵蚀研究中的一项重要参数,目前仍未有通用的径流流速测量仪,因此研究径流流速的有效测量方法具有重要的意义.该研究以相关测速理论为基础,在已有的研究基础上改进了光电传感器的硬件设计和试验平台,开发了一套坡面径流流速测量系统.试验研究了传感器与液面及两传感器之间距离对测量系统的影响,并进行了室内模拟坡面径流流速试验研究.结果表明,两传感器的间距为5 mm、液面距离为9 mm为最优试验参数,测量系统的泥沙含量适用范围为0～400 kg/m3、坡面的范围为0～25°,测量系统能够准确测定径流流速,最大相对误差为3.61%,为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种有效的方法.     

不同降雨强度下土壤结皮强度对侵蚀的影响

为定量分析土壤结皮对坡面侵蚀的影响,该文选择塿土、黄绵土、黑垆土和黄墡土4类土壤,分析其在3种雨强(60、90、120 mm/h)下的结皮强度变化规律。结果表明,当土壤含水率高于30%时,不同降雨强度下结皮强度差异不显著(P0.05),当含水率小于30%时,结皮强度随降雨强度增大而增强。以杨凌塿土10°坡面为例,进行坡面人工模拟降雨试验,分析计算不同强度结皮坡面的侵蚀产沙、径流剪切力、阻力系数以及流速,结果表明:结皮对坡面产流的影响并不显著,但其存在有效地减少坡面的侵蚀产沙量。结皮存在能有效地减少坡面产沙量,无结皮坡面的产沙量是结皮坡面产沙量的1.24~8.72倍。相同降雨条件下,结皮强度越大,其产沙量越小。进一步通过灰色关联分析得出:随着坡面结皮强度增加,水流功率对坡面侵蚀的作用效益不断减小,而阻力系数的作用效益增加,即水流增加产沙的正效应不断减弱;另一方面,结皮强度增大使得坡面土壤抗蚀性增强,因此,结皮强度越大,坡面侵蚀量将大幅度减少。研究可为准确有效预报坡面土壤侵蚀提供重要依据。     

日光温室番茄不同空间尺度蒸散量变化及主控因子分析

明确日光温室作物不同空间尺度蒸散量及变化规律是提高水分利用效率、实现农业水资源合理配置的关键。该文针对华北地区典型日光温室,于2015—2016年在中国农业科学院新乡综合试验基地,以滴灌番茄为研究对象,参考20 cm标准蒸发皿的累积蒸发量,设计充分灌溉和亏缺灌溉2种水平,研究不同水平下番茄叶片蒸腾、单株耗水(用茎流速率表征)和群体蒸散量的日变化和生育期变化,并采用通径分析法确定影响不同空间尺度蒸散量的主控因子。结果表明:叶片蒸腾和气孔导度随太阳辐射变化,峰值出现在10:00—14:00之间,移栽54~58 d后充分和亏缺处理的叶片蒸腾和气孔导度开始出现差异;充分和亏缺处理的单株耗水在晴天差异最大,阴雨天最小,且滞后太阳辐射约1 h;全生育期充分和亏缺处理的日群体蒸散量分别在0.32~6.65和0.15~5.91 mm/d之间变化,群体蒸散量在盛果期最大,占总耗水量的31.7%~34.7%。净辐射对叶片、单株和群体尺度的蒸腾量影响均显著,而水汽压差仅对单株和群体尺度蒸散量影响显著,估算日光温室番茄单株耗水和群体蒸散量时需考虑风速影响。水分胁迫条件下,考虑叶温变量可显著提高单株耗水和群体蒸散量的估算精度。研究可为不同空间尺度蒸散量转换方法的选择以及尺度提升理论模型的构建提供借鉴。     

筒装料管道水力输送动边界环状缝隙流水力特性数值模拟

针对农产品长距离输送中存在的运输效率低和输送成本高等问题,提出了一种具有应用前景的农业机械运输方式—筒装料管道水力输送技术.该文基于Fluent软件,采用RNG k-ε 湍流模型、6DoF耦合模型以及PISO算法对动边界环状缝隙流进行数值模拟,分析不同环状缝隙宽度对动边界环状缝隙流场水力特性的影响.同时,对不同环状缝隙宽度条件下管道车在平直管道的运移进行模型试验,并将试验结果与模拟结果进行对比.结果表明:模拟结果和试验结果基本一致,最大相对误差不超过5.3%;动边界环状缝隙流中管道静边界区域压强呈现出进口区域压强降低,中间区域压强升高以及出口区域压强再次急剧降低的变化趋势;动边界环状缝隙流的水力特性不仅受到管道车动边界结构参数的影响,而且还受到管道车动边界上、下游管道内部流场的影响.该研究不仅完善了动边界环状缝隙流的相关理论,而且为进一步探究筒装料管道水力输送中动边界环状缝隙流水力特性提供了一种切实可行的研究手段.     

回流滴灌系统毛管泥沙输移规律模拟及实验研究

为探究回流滴灌系统滴灌毛管的输沙潜力和抗堵塞性能,本试验通过CFD模拟和室内滴灌实验探究滴灌系统中泥沙颗粒输移规律和水流运动特性。CFD模拟结果表明:当毛管内水流流速小于0.2 m·s~(-1)时,随流速的增加,自毛管进入滴头的泥沙数量明显减少,且毛管内水流紊流强度大小与紊流区域范围逐渐减小;当毛管内水流流速大于0.2 m·s~(-1)时,流速的增加对进入滴头内的颗粒数量和水流状态无明显影响。室内滴灌实验结果表明:回流滴灌系统毛管水流流速增加时,滴头出水中的泥沙颗粒数量较支状系统减少约30%,而当回流毛管流速为0.1 m·s~(-1),三种滴灌带的灌水周期比支状滴灌系统分别提高50%、38%、41%,继续提高流速对提高灌水周期影响不大。回流滴灌系统较传统滴灌系统可以显著提高毛管的输沙排沙能力,减少进入滴头内的泥沙数量,提高系统抗堵塞性能,延长滴灌系统的运行周期。     

颗粒特性对矩形养殖舱中颗粒物去除效果的影响

养殖工船是拓展深远海养殖空间的新途径之一,在船载舱养过程中,如果未消化的饲料残渣和排泄物等颗粒物不能及时排出,则会对鱼类健康及其生长环境产生严重的负面影响。该文章采用FLOW-3D软件进行数值仿真计算,研究了静止状态下30万t级养殖工船养殖舱出水口数目对舱内流场特征的影响,并在此基础上探究不同粒径与密度的颗粒物在舱内的去除效果。结果表明：当总进出水流量与出水口总面积恒定时,出水口数目从1增加到4,V99%从0.244 m/s降低至0.232 m/s,V95%从0.215 m/s降低至0.203 m/s,随着出水口数目的增加,养殖舱内流速减小;以占总量95%的颗粒物排出养殖舱所需时间为评价标准,当颗粒物密度为1050 kg/m3时,粒径为1 mm的颗粒物排出需要约24 min,粒径为0.5 mm的颗粒物排出需要约45 min,粒径为0.1 mm的颗粒物排出需要约78 min,当颗粒物密度相同时,随着粒径增大,其在养殖舱内的停留时间减少;颗粒物粒径为1 mm时,密度为1100 kg/m3的颗粒物排出需要约15 min,密度为1150 kg/m3的颗粒物排出需要约11.6 min,当颗粒物粒径相同时,颗粒物密度越大,其在养殖舱流场内的停留时间越短。该研究形成了CFD数值仿真计算与数理统计有机结合的综合分析方法,为之后具有不同横摇周期和较大横摇幅值的复杂工况提供研究手段及理论依据。     

太极式鱼道水力特性试验研究及数值模拟

针对传统鱼道一经建成,其固体边界条件已经固定,池室内水流流速分布变化不大而难以适应多种鱼类通过的缺点,该文研究一种通过太极圆盘和八卦爻条消减水流能量,形成多态流速场以适应多种鱼类洄游的太极式新型鱼道,并对其进行了水力模型试验和数值分析。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下的流态和沿程水深变化,然后通过数值计算得到了与模型试验相近的结果,并进一步分析了太极式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:太极式新型鱼道具有显著的消能减速效果,最浅处水深达到无太极圆盘时相应最浅水深的2倍左右,断面平均最大流速为0.95 m/s,相对于无太极圆盘的情况降低50%左右,池室内水流呈现多态化,另外随太极圆盘方位不同流速场亦有明显变化,该种鱼道可为鱼类提供更多适宜的洄游条件。     

鱼感应流速对体长的响应及在过鱼设施流速设计中的应用

该研究测试并分析了澜沧江5种鱼类(体长bl的范围0.095~0.342 m)的感应流速。测试方法:首先测量鱼的长度,然后将其放于鱼类行为学装置内的游泳区中,并使其适应2 h。然后让鱼的头部朝着游泳区后端,以递增流速法调整装置内水流速度。当鱼类调转方向运动时,记录此时装置内水流速度,该水流速度即为鱼类感应流速。研究结果:1)在水温为11.1~22.6℃条件下,鱼类感应流速范围为(0.40~1.18)bl/s,即(0.07~0.23)m/s;2)鱼类相对感应流速和体长总体呈负相关关系,鱼类绝对感应流速和体长总体呈正相关关系,该相关关系对于较难捕获测试样本或仅可捕获极个别样本的鱼类游泳特性的定性预测研究具有一定指导作用;3)拟合了趋流率与水流速度的相关关系,可为寻求满足鱼类游泳需求和工程流速设计上的平衡提供参考,若仅考虑过鱼设施运行效率,则澜沧江上游某水电工程过鱼设施内最低设计流速至少为0.2 m/s。该研究结果可为鱼类行为学提供基础资料并为过鱼设施流速设计提供参考。     

微灌鱼雷网式过滤器全流场数值模拟

为了充分了解鱼雷网式过滤器内部流场分布规律,该文应用雷诺时均(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS)方程及RNG k-ε湍流模型,对过滤器内部全流场进行全流场数值模拟。结果表明:鱼雷部件和出水口边界条件对该过滤器的速度流场和压力场分布规律影响很大,鱼雷部件的影响是尤为突出;滤网及其内、外侧的水流流速沿X轴的变化规律分流速迅速增加、流速迅速减小和流速缓慢减小3个阶段;滤网内外压力分布有很大的的差异,滤网内侧压力沿X轴分布从迅速增加到缓慢减小、最后趋于稳定。而滤网外侧压力分布沿X轴的变化很大,特别是在出水口处压力迅速减少,压力沿X轴的波动幅度较大。滤网内侧压力比外侧的大,两者的压力差沿X轴越来越小,最大压力差为23 k Pa左右,最小压力差为0.5 k Pa。研究结果认为整个滤网堵塞不均匀,滤网堵塞呈现从尾部开始向出水口方向发展的趋势,对后续滤网的冲洗排污产生重要影响。该文建议在设定最佳排污压差时需要慎重考虑。     

华北落叶松枯落物覆盖对地表径流的拦阻效应

在宁夏固原六盘山叠叠沟小流域坡面径流小区(长0.9 m、宽0.5 m)内进行了10种枯落物覆盖量(0.0、0.5、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、15.0、20.0、25.0 t·hm-2)、5个入口流量(10、20、30、40、60 mL·s-1)的地表径流试验.结果表明:当枯落物覆盖量从0.0 t·hm-2增加到25.0 t·hm-2时,地表径流流速与无枯落物覆盖相比减小了57.50%～72.27%;地表径流流速随入口流量增加而明显加大,尤其是无枯落物覆盖时增加最快;在坡度为14°的条件下,枯落物覆盖对地表径流流速的阻延值△V(cm·s-1)与单宽流量q(mL·s-1·cm-1)、枯落物覆盖量G(t·hm-2)的关系为:△V=3.617 7q0.507 5G0.431 5(R2=0.910 2);枯落物覆盖量增加使地表曼宁阻力系数n值加大,在枯落物覆盖量小于10.0 t·hm-2时,n值随枯落物量增加而急剧加大;当枯落物覆盖量在10.0～25.0 t·hm-2范围内增加时,n值的加大趋势逐渐变缓;n值与枯落物覆盖量之间呈较好的二项式关系.