高含沙水流的水流结构及运动机理

本文在室内水槽试验和天然河流资料分析的基础上,对含有一定细颗粒泥沙(d₅₀<0.01mm)的高含沙水流进行了分析研究.对高含沙水流的类型、宾汉切应力τ_B和刚性系数η的性质、流核与非流核区的水流运动机理和切力分布等都提出了作者的见解,对二维恒定均匀紊流的高含沙水流的流速分布提出了计算公式,公式既适用于高含沙宾汉流体,也适用于清水和高含沙牛顿流体.     

明渠高含沙水流阻力规律探讨

黄河是世界上含沙量最大的河流,支流的最高含沙量可达1,500公斤/米³。高含沙水流与清水相比有许多不同之处,对农田灌溉、防洪、河道和水库冲淤均有重要影响。本文是通过室内水槽试验探讨了高含沙水流的阻力规律、脉动特性、边界层的变化、流速分布等几个问题。     

明渠和管道中层流和紊流的总规律

本文研究了明渠和管道水流从层流向紊流的过渡状态及其结构,通过统计分析得出了层流和紊流的发生机率。在作者以前获得的紊流各流区统一规律的基础上,考虑到上述机率分布,导出了适用于从层流到紊流全部流区的时均流速分布的统一公式和阻力系数的统一公式。所有理论结果均得到了试验资料的证实,从而使明渠和管道水流的总规律得到了理论上的全面概括。     

平面弯道势流的流速分布规律研究

为研究平面弯道水流的流速分布规律,将弯道简化成圆弧,假设水流为理想流体作恒定无旋流动,并假定流线为圆弧状,根据理想流体平面势流理论,推导了弯道水流的流速分布公式和内外弯超高公式。得到的结论为:内弯流速大于外弯;内弯水面低于外弯。然后基于Galerkin(迦辽金)加权余量法的有限单元法,编写了Matlab有限元程序,用3节点三角形单元模拟90°弯道水流中的流速分布,得到了与理论解一致的流速分布结果。最后通过弯道水流实验和文献中的实验数据对理论推导结果进行验证。结果表明,实际弯道水流是以平面势流为主导的。     

基于掺长理论的淹没柔性植被水流流速分布研究

采用Pvc薄片对柔性植被进行了模拟,并用三维Micro ADV对淹没柔性植被恒定水流进行了实验测量,获得了水流纵向流速和Reynolds切应力的分布.实验结果表明,淹没柔性植被水流植被层和非植被层的水力特性有显著不同.在非植被层,Reynolds应力为直线分布,而时均流速则符合经典的对数律分布.基于新"河床"的概念,首次提出用河道压缩参数来表示植被对水流的影响,并合理假设了一个新的混合长度公式,由此得到的时均流速公式相比前人的成果有所需参数少、计算简单及实用性强等优点.     

部分植被化矩形河槽紊流时均流速分布分析解

研究了部分植被化矩形河槽紊流的水深平均流速分布．植被被视为不可移动的刚性多孔介质,植被对水流的阻力以多孔介质理论加以考虑,并综合考虑部分植被存在时矩形河槽紊动水流二次流的作用,建立了紊流动量方程．针对恒定均匀流的特点,对动量方程进行了简化,沿水深方向积分并引入参考量,形成无量纲形式的基于多孔介质理论紊动水流控制方程,进而对其求解给出了水深平均纵向时均流速分布的分析解．研究表明,在不同水流条件下的二次流强度系数具有相同的数量级．为验证分析解的正确性,在实验室采用MicoADV测量了部分植被化矩形河槽水流的流速分布．数值解与实验资料和日本学者的相关实验资料的对比表明,该方法可以准确预测部分植被化矩形河槽紊流水流的水深平均流速分布．     

层移质运动规律的实验研究

高浓度水沙两相流当颗粒浓度超过一定极限后,紊动消失,进入层移质运动。本文通过用管道输送无粘性沙的试验,对层移质运动的流速分布,阻力损失及离散力进行了初步探讨。     

考虑滩地植被的复式断面河道水流的二维解析解

针对滩地植被化的复式断面河道的水流特性,从沿水深积分的紊流时均运动微分方程出发,基于恒定均匀流的假设,给出了植被作用下河道水流水深平均流速沿横向分布的二维解析解.其中,将植被对水流的影响归结为拖曳力项,在模型中计及了二次流的影响,并对二次流强度系数K的取值进行了初步探讨.分别对顺直河道横断面和蜿蜒河道的顶点断面进行了计算,计算结果与试验资料符合良好,表明给出的二维解析解可用于植被作用下复式断面河道水流水深平均流速沿横向分布的数值预报.     

部分植被化复式河道水流的二维解析解

运用涡粘模型理论对部分植被化复式河道的水流水深平均流速和边壁切应力分布进行了求解.通过对水流微元体进行纵向受力分析建立相应的控制微分方程,其中植被对水流的影响归结为拖曳力项.同时将复式渠道划分为3个子区域,通过联立求解各区域微分方程中的定解系数,最终得到均匀流的条件下各区水深平均流速的横向分布的解析解.在获得水深平均流速的横向分布后,可进一步给出对泥沙输移有重要影响的河床切应力的横向分布.通过与试验测得的资料比较,表明给出的解析解能够为工程设计提供足够精度的水力特性的预报.     

二维土壤洗盐模型分析

本文用有限元方法模拟二维入渗沟排水的洗盐过程,三角单元的剖分随饱和—非饱和自由界面而变化,用迭代方法求解水流方程。对Darcy流速、溶质(盐分)浓度分布,脱盐率等进行了定量的研究,讨论入渗率与时间、入渗率与脱盐率,沟间距、沟深与脱盐率等之间的数量关系。     

光滑壁面明渠均匀紊流水力特性

水流进入光滑壁面明渠后,沿水流方向历经层流边界层,转捩区,紊流边界层,充分发展紊流边界层及明渠均勻紊流等流动区域。明渠均匀紊流中流动的时均及紊动特性均不再沿程变化。光滑壁面明渠均勻紊流中,沿水深方向流动具有明显的分区结构。本文给出了分区界限及各分区中时均流速分布公式及脉动流速的特征。本文提出当明渠的宽深比W/H大于10时方可将中心区流动视为二维流动,并给出了断面平均流速及阻力系数的计算公式。     

小角度斜向入流条件下复式断面明渠流速重分布线性理论

自然界中复式河道的来流方向常受径流量、滩槽形态影响,往往与主槽存在小幅度夹角,使得目前基于顺直河道假定的漫滩水流大量的理论成果难以适用.为研究斜向入流影响,采用平面二维浅水方程描述沿程均匀的复式断面明渠水流运动,选取斜向角度作为小参数,运用摄动法推导了小角度(θ20°)斜向入流条件下复式河道流速分布的线性解析解,并利用数值模拟结果进行验证,流速分布吻合较好.理论分析结果表明,斜向来流时由于出现垂直于河道方向流速分量,使得顺河道方向流速沿河宽分布偏离正向来流情况下的对称形态而重新分布,入流侧流速减小而对岸流速增大;在斜向角度θ=13°且滩槽水深比为3∶8的情况下,偏离幅度可达21.8%,该幅度随滩槽水深比的减小而增大.该文针对斜向来流对流速分布的修正将为进一步研究复式河道泥沙运动和河流演变提供更为准确的水动力条件.     

含高分子聚合物的紊流及其减阻规律

本文从粘弹性流体的Maxwell方程式出发,导出了粘弹性流体在紊流条件下的内部剪力公式。在此基础上应用作者提出的紊流随机理论,得出了光滑明渠和管道中减阻紊流的时均流速分布公式,和纵向脉动流速分布公式,并进而导出了其阻力变化规律。最后根据聚合物的化学物理性质,给出了确定上述公式中减阻参数的关系式。所有这些公式均与试验资料一致。     

空间分数阶非Newton流体本构及圆管流动规律研究

对非Newton流体的本构及流动规律进行研究是分析、预测和控制非Newton流体在管道中流动的关键.实验表明非Newton流体在流动过程中具有历史记忆性,基于空间分数阶微积分方法,建立了分数阶非Newton流体本构模型;并推导了该模型在圆管中的流速分布、流量、平均流速、压降、平均Reynolds数等管道流动参数;提出了分数阶非Newton流体圆管流态判别准则.研究表明非Newton流体的圆管流层间的切应力可以通过流速的轴向分布大小来描述.对于不含屈服切应力的分数阶非Newton流体,分数阶的阶数越大,断面流速分布越均匀,记忆能力越强.分数阶的阶数大小反映了流体对全域空间的记忆性强弱;而对于含有屈服切应力的分数阶非Newton流体,分数阶的阶数越大,速梯区流速分布越均匀,流核区速度越小.分数阶的阶数大小反映了局部空间记忆性强弱.该研究为非Newton流体的记忆特征提供了一种新的建模方法.     

明渠和管道紊流结构

本文对紊动机理进行了分析.建立了一个随机模型.以确定雷诺应力.并着重讨论了二元光滑明渠和管道中的紊流规律.由于同时考虑了雷诺应力和粘滞应力,导出了包括边界层在内的时均流速和脉动流速分布公式.通过对壁面绕流情况的分析,获得了包括光滑区、过渡区和阻力平方区在内的时均流速分布的统一公式和阻力系数的统一公式,所有这些均与试验资料一致.     

弹性地基输流管道的耦合模态颤振分析

推导出了弹性地基输流管道的固-液耦合振动微分方程,用幂级数法计算了Winkler模型地基和双参数模型地基输流管道的临界流速和复频率,分析了弹性地基对输流管道静力稳定性与动力稳定性的影响.结果表明,与不考虑弹性地基的情况相比较,弹性地基的作用可使管道发生静力失稳和动力失稳的临界流速增大,并且增大弹性地基参数可提高静力失稳和动力失稳的临界流速,从而推迟发散与颤振的发生.当质量比β较大时,管道会在某个地基参数组合下,在发生静力失稳后,会在较高流速下出现再稳定和再发散现象,然后发生耦合模态颤振.     

流动环境中高浓度射流扩散实验研究

通过流动显示和定量测量对浅水流动环境条件下,高浓度流体垂体向抛射入水后形成的射流运动扩散及浓度分布特征进行了水槽实验研究。实验分析了射流入水后与环境水流条件的相互作用,通过数据分析给出了射流中心线着底点与横向扩散角的拟合公式。实验结果表明高浓度射流在近区呈现出不同于一般淹没射流的复杂流动形态及扩散特征,以异重流的形式向下游推移。     

简支Mexwell模型粘弹性输流管道的稳定性分析

在弹性输流管道研究的基础上,采用递推格式的有限差分法,对简支Maxwell模型粘弹性输流管道（回转守恒系统）,探讨了其动力特性和稳定性问题,具体分析了材料的松弛时间对无量纲流速与前三阶模态的无量纲频率的实部及虚部之间的变化曲线的影响。发现发散临界流速随松弛时间的减小而降低,随后发生的耦合模态颤振临界流速随松弛时间的减小而增大;甚至在质量比较大时,随着松弛时间的减小,可推迟乃至不发生耦合模态颤振。当无量纲松弛时间达到10^3量级以上时,即可将其按弹性管道处理。甚至在H为10^2量级时,按弹性管道处理也不会带来太大的误差。     

河口混合过程的研究 *

根据河口水流运动特点 ,应用平板振荡边界层理论及波流分解方法 ,导出了往复运动水流的流速垂向结构 ,据此建立了河口准二维盐度数学模型 ,并得到实测资料验证 .应用该模型研究河口混合过程 ,得到了盐度分布、盐度锋强度随径流和潮差定量变化的规律 .模型具有物理机理清晰 ,所需CPU时间短的优点.     

输送流体管道的固——液耦合动力学研究

根据Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理推导输送流体管道固—液耦合振动方程，得到反对称的固—液耦合阻尼矩阵和对称的固—液耦合刚度矩阵；用ＱＲ法计算管道固有频率，给出了管道前４阶固有频率—流速曲线；讨论了流体的流速、压强变化以及固—液耦合阻尼和固—液耦合刚度对管道固有频率的影响；用Ｎｅｗｍａｒｋ法计算不同流速时管道对阶跃载荷的动力响应；发现了各阶固有频率都有随流速的提高而降低、再提高、再降低的周而复始现象·