泥沙起动临界切应力研究

泥沙起动是河流动力学基础理论中最基本的问题之一．从非均匀沙起动的特点出发，研究了泥沙颗粒起动的内在机理及水力、泥沙因素在泥沙起动中的作用．通过对瞬时作用流速及起动标准、泥沙颗粒在床面的相对暴露度、附加质量力等问题的分析及其表达式的引入，使泥沙起动在理论上进一步完善．采用泥沙颗粒沿床面滚动的模式，推得了非均匀沙起动临界无因次切应力公式．该公式包含了与水流脉动及泥沙颗粒相对暴露度相关的系数．对公式中的系数进行了理论分析，并采用实测资料进行了检验，证明了公式的合理性．     

定床弯道内水沙两相运动的数值模拟

在适体同位网格中采用非正交曲线坐标系下的三维k-ε-kp固液两相双流体湍流模型研究弯道内水流和悬浮泥沙运动,主要计算了试验室S型水槽内清水流动的三维流场、120°弯道内水沙两相流动中底沙与底流的运动轨迹以及S型水槽内水沙两相流动的两相流场和泥沙浓度场. 对于S型水槽内清水流动,数值结果与试验结果吻合良好. 120°弯道内水沙两相流动中固液两相的运动轨迹在弯道直线段基本重合,在弯道内泥沙轨迹逐步偏离水体轨迹,其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 从S型水槽内水沙两相流动计算结果中发现泥沙纵向流速在壁面附近比水流纵向速度大,在远离壁面区域比水流纵向速度小;弯道内泥沙横向流速比水流横向流速小;垂向流速在直线段和泥沙沉速相当,在弯道内受螺旋水流影响而变化;两相流速差别随泥沙粒径增大而变大;泥沙浓度呈现下浓上稀的分布,在弯道内横向断面上呈现凸岸大凹岸小的分布,泥沙浓度随泥沙粒径增大而减小.      

基于等效路径的爆破地震波衰减规律

针对露天矿山台阶爆破地形和地质条件的复杂性, 分析了地形对爆破地震波传播路径的影响, 提出了等效路径及等效距离两个概念。同时考虑岩石波阻抗和岩体的完整性系数及最大一段装药量与炸药的定容爆热等因素的影响, 构建了露天台阶爆破地震波地表质点振速峰值随等效距离衰减的表达式。通过矿山爆破震动监测检验, 发现用该公式预测地表质点振速峰值, 能够适应实际地形和地质条件的变化, 预测结果的准确性显著高于萨氏公式, 表明该公式较好地反映了质点振速峰值沿等效路径衰减的基本规律, 为台阶爆破地震波质点振速峰值预测提供了一种新方法。     

层级褶皱结构夹层板的等效弹性常数

针对二级层级褶皱结构夹层板,通过变形协调研究了其等效弹性常数。首先对一级层级褶皱结构进行正交各向异性等效,得到一级等效弹性常数;将二级层级褶皱结构看成是由正交各向异性材料组成的三角形桁架夹心,将二级层级褶皱结构等效为均匀连续正交各向异性板,依据夹层板面板与夹心变形协调特点得到夹层板整体等效弹性常数。结合结构几何参数对等效公式的误差进行了讨论,并对等效公式做出修正。通过与数值分析结果对比,表明本文提出的等效公式具有较高精度。     

厚管板的等效弹性常数

本文考虑了厚管板界条之间的约束条件和界条断面上存在着相应的双力矩,并由此导出了三角形排列厚管板的等效弹性系数公式和等效波桑系数公式。由该公式计算的结果和Sampson R.C.的实验值、Slot T.的数值解是一致的。     

一维河网泥沙输移模式研究

推导了一种显式的河网 泥沙输移递推计算方法, 该方法在水动力学计算结果所确定的汊点类型基础上, 直接计算每 个河段中逐个节点的不平衡泥沙输沙过程以及悬沙和床沙的级配调整, 克服了传统方法中必 须通过首末断面含沙量关系确定河网悬沙矩阵求解的困难. 将该泥沙输移模式的一维河网水 沙数学模型, 应用于长江三峡下游荆江-洞庭湖河网区域, 并取得了较好的计算结果.在模型 验证之后, 进一步讨论了采用新的泥沙输移计算模式和原有泥沙输移计算模式在计算 时间上和计算内容方面的差别.     

明渠中悬移质的弥散-对流方程及悬浮机理

悬移质泥沙通常构成冲积河流总输沙量的主体, 研究悬移质的悬浮机理具有重要的意义. 以双流体模型为基础, 通过引入弥散速度的概念, 建立了悬移质泥沙的输沙方程以及泥沙扩散系数的本构关系. 应用该方程分析了二维明渠均匀流中悬移质泥沙浓度垂向分布规律, 并与Einstein 和Chien 的泥沙浓度实验资料及经典扩散理论进行了对比. 以此为基础, 分析了紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力对泥沙悬浮的影响在垂向上的变化, 以及浓度、粒径等对这些因素的影响. 结果表明, 泥沙颗粒在明渠紊流中的扩散是浑水的紊动扩散、颗粒自身的紊动、颗粒碰撞应力3 部分不同机制共同作用的结果, 把泥沙颗粒的悬浮简单归因于水流的紊动是不全面的.     

南线A污水泵站浑水模型试验研究

在城市合流污水泵站普遍存在着严重程度不同的泥沙淤积问题，对泥沙输移、沉积研究较多的是明渠、河道、河口、海洋、港口等，而对泵站前池、高位井泥沙沉积、冲淤的研究仍多为定性分析。本文通过选用人工轻质沙电木屑，即通过降低模型沙的比重来相对增大粒径，达到模型和原型冲淤相似。对南线A污水泵站进行浑水模型试验，研究分析污水中固体颗粒在泵站前池和高位井中输移、沉降和冲淤规律，发现原设计方案前池固体颗粒淤积较严重，提出前池设置导流墩、倾角为45°的压水板和垂直挡水板相应的优化方案，均不同程度获得前池较好的流态，固体颗粒淤积也有较大减少。     

输沙率的随机模型及统计规律

本文给出了泥沙四种运动状态的寿命分布,处于各种状态的泥沙之间的转移强度以及床面静止颗粒的起动分布等.在此基础上建立了输沙率的随机模型,得到了输沙率的分布和平均输沙率公式.本文在理论上概括了推移质与悬移质的输沙规律。     

石灰岩中不同埋深爆炸自由场直接地冲击参数的预计方法

通过现场实验,研究了石灰岩中常规装药不同埋深爆炸自由场直接地冲击参数的传播规律.采用了等效当量埋深系数的工程处理方法来描述不同爆炸埋深地冲击效应,并给出了石灰岩中不同埋深爆炸应力等效当量埋深系数和质点加速度等效当量埋深系数的计算公式,从而得到了石灰岩介质中不同埋深爆炸地冲击参数随比例距离的预计公式.     

浆体管道内静止圆柱状型料的起动

在动量定理和能量定理的基础上,建立静止圆柱状型料在浆体管道内起动的动量方程和能量方程,并由此导出静止型料在浆体管道内的起动速度计算公式．经型料管道起动实验验证,该公式较好地描述了静止型料在浆体管道中开始起动的物理条件,能有效地推断和预测静止型料在浆体管道流中的起动速度．理论计算值和实验数据指出,静止型料在浆体管道内的起动速度,不仅和管道平均流速紧密相关,而且和浆体密度、型料形状比以及型料管道直径比紧密相关．     

再悬浮底泥中非吸附性污染物释放的数值模拟

环境水动力学中, 湖库底泥中污染物释放是人们研究的主要问题之一. 在水动力学条件作用下, 污染底泥再悬浮使大量污染物被重新释放出来, 造成水体的二次污染. 本文基于水槽实验研究提供的大量实测数据, 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合力学模型. 在上覆水体不同流速条件下, 数值模拟底泥起动再悬浮过程以及污染物释放过程. 分析流场特性和污染物浓度之间的关系, 得到速度、颗粒体积分数、污染物浓度、湍动能以及时间等参数之间的定量关系. 研究表明, 底泥再悬浮污染物释放过程, 是由上覆水体-底泥-污染物构成的耦合过程. 迅速进入上覆水体的底泥颗粒, 影响了上覆水体流动特性, 进而影响到污染物的释放. 对于非吸附性污染物, 底泥起动后复杂的流场特性是底泥再悬浮污染物释放的主要影响因素. 当流场特性(如雷诺数)改变时, 对流和湍流扩散作用在污染物输运过程贡献不同. 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合模型, 研究水动力学条件与底泥污染物释放规律的定量化关系, 可为构建湖库区域水污染模型提供支撑.      

损伤拉索的等效弹性模量及其参数分析

损伤拉索会出现线形松弛、应力水平降低的情况,必然会影响拉索的等效弹性模量。本文首先引入损伤程度、位置及范围3个参数,用以描述拉索损伤形态的特征,建立损伤拉索索力和线形计算公式,采用数值方法计算了损伤拉索弦向等效弹性模量精确数值,并和经典的等效弹性模量公式的计算结果进行了比较分析,分析了考虑损伤时两种不同计算方法结果的误差。计算表明,对于500m弦向长度以内的损伤拉索,拉索的弦向长度Lc越大,倾角越小,等效弹性模量的损失越大,并且应用割线模量公式计算的误差也越大,当Lc=500m时,损伤拉索相对误差值在2.5%~4.5%之间。弦向应变越小,等效弹性模量损失越大,弦向应变在[0.001,0.004]内,应用割线模量公式计算的相对误差小于3.5%。损伤程度及损伤范围对引用等效弹性模量公式的误差影响较大,倾角对等效弹模公式相对误差的影响也不容忽视。弦向长度、弦向应变、倾角和损伤程度参数都是通过改变拉索的松弛程度进而影响等效弹性模量的数值以及公式的误差。     

MULTIPLE TIME SCALES OF AEOLIAN AND FLUVIAL PROCESSES AND DEPTH-AVERAGED INTEGRAL MODELLING

针对风沙与水沙动力学研究的共性,提出风沙与水沙运动统一深度积分模式;在此基础上,将水沙运动过程多重时间尺度理论扩展至风沙运动,比较研究风沙与水沙运动向平衡状态调整的时间尺度特征. 数值算例与风洞实验结果对比表明,积分平均模型能够基本准确地捕捉风沙运动的输沙率变化等基本特征;风沙与水沙运动的积分时间尺度比较分析表明,风沙运动与水沙运动类似,推移质运动能够很快地调整到平衡状态,而悬移质运动调整到平衡状态则需要相对较长的过程,在湍流悬移质实验和数值模拟研究中应考虑恢复平衡过程的影响.     

船舶水润滑尾轴承当量半径等效计算及其摩擦学性能研究

水润滑尾轴承摩擦磨损性能是影响船舶工作性能的主要因素之一,合理预测水润滑尾轴承工作过程中的摩擦系数对其性能评估具有重要意义.目前对于水润滑尾轴承摩擦系数的理论计算公式已经存在.但由于销盘试验下无法有效获取当量半径,公式在销盘试验条件下的实用性不佳.对此在总结了边界润滑条件下,水润滑尾轴承摩擦机理的基础上,通过在CBZ-1销盘试验机上进行大量试验来进行当量半径等效参数计算公式的总结与摩擦系数经验公式的验证.研究结果表明:(a)在使用理论摩擦系数计算公式的前提下,当量半径等效参数公式拟合合理,具备较高准确性;(b)试验材料的理论摩擦系数与实际摩擦系数误差较小,为同类型试验摩擦性能研究提供了理论与试验基础;(c)水润滑尾轴承材料在工作过程中的摩擦力来源主要分为滞后摩擦力、犁沟摩擦力以及黏着摩擦力.当其处于边界润滑状态下时,滞后摩擦力为主要的摩擦力来源.该研究为水润滑尾轴承的等效当量半径在销盘试验条件下的应用提供了试验基础.     

Dynamic release process of pollutants during suspended sediment transport in aquatic system

Pollutants release is highly consistent with suspended sediment concentration （SSC） in water column, especially during re-suspension and transport events. The present research focuses on pollutant dynamic release from re-suspended sediment, especially the vertical distribution relationship between them. The sediment erosion experiments on a series of uniform flow are conducted in a circulate flume. Reactive tracer （phosphorus） is used as the contaminant in fine-grained sediments to identify the release characteristic length and time. Experimental results show that the flow condition near-bed depends on the sediment surface roughness. The region with high turbulent intensities corresponds to a high concentration sediment layer. In addition, the SSC decreases with the distance, water depth, and particle grain size. The sediment in a smaller grain size takes much more time to reach equilibrium concentration. Total phosphorus （TP） concentration changes along the water depth as SSC in the initial re-suspension stage, appearing in two obvious concentration regimes： the upper low-concentration layer and the high-concentration near-bottom layer. This layered phenomenon remains for about 3 hours until SSC distri- bution tends to be uniform. Longitudinal desorption plays an important role in long-way transport to reduce the amount of suspended sediment in water column.     

粗糙床面物质交换特性及其主导机制实验研究

粗糙底床泥-水界面区域的物质交换过程不仅与水动力作用有关,还涉及到底床物理特性和床面形态的影响. 为研究粗糙底床渗透率和床面微地形对泥-水界面物质交换过程的综合影响,通过实验室环形水槽实验,测量得到不同砂质平整底床和存在离散粗糙元床面条件下,泥-水界面物质交换通量和有效扩散系数的定量数据和变化特征,并采用参数化方法分析无量纲控制参数变化范围内界面物质交换特性的主导机制. 实验结果表明,粗糙底床渗透率和床面微地形共同对泥-水界面物质交换过程起重要作用. 与平整底床相比,离散粗糙元局部绕流结构驱动的附加泵吸交换不同程度增大了界面物质交换通量,其增强效应与底床渗透率和床面粗糙度的变化密切相关. 随底床渗透率和床面粗糙度的增大,有效扩散系数总体呈增大趋势,湍流渗透对界面物质交换的影响趋于增强,而泵吸交换的相对贡献趋于减弱. 因此,分析存在床面微地形粗糙底床的主导界面物质交换机制,需要考虑底床渗透率和床面粗糙度的综合影响.      

垂直湍流液-固流中大颗粒的相对速度

通过量纲分析和实验测量,对于垂直、局部均匀的湍流稀态液一固流中,大颗粒的相对速度,建立了无量纲参数表达式．用分析和实验相结合的方法,确定了表达式中无量纲参数的幂次及有关系数．实验中用激光多普勒分相测量技术,分别测出流体和颗粒的时均速度结果表明,大颗粒相对速度强烈依赖于流体雷诺数,当流体雷诺数较高时,其幂次渐近于1.5。     

黄茅海波-流共同作用下的三维悬沙数值模拟

针对黄茅海河口区波流相互作用显著、三维空间结构明显及泥沙运动复杂等特点,联合第3代海浪模式SWAN,建立了波流共同作用下的三维悬沙数学模型.在水流计算中,考虑了波浪产生的辐射应力影响,波浪依赖的表面风应力影响及波浪影响下的底部剪切应力,并采用k-kl紊流闭合模型提供垂向涡粘系数和垂向扩散系数.悬沙扩散方程中的源函数利用切应力法确定,泥沙沉降速度考虑絮凝作用,从而提高黄茅海悬沙场数值模拟精度.通过含沙量实测资料验证,模拟值与实测值符合较好.在模型验证的基础上,讨论了不考虑波浪与考虑波浪两种情况下黄茅海的悬沙分布特征,为工程实际研究提供了依据.     

Improvements on bed‐shear stress formulation for pier scour computation

This paper introduces an improved formula for the bed‐shear stress by applying the vorticity effect and its application in a 3D flow and sediment model to estimate scouring around bridge piers. Up to now, the sediment transport formulae used for computing pier scour were developed based on the general scouring in unobstructed flow. The capability for numerical models to predict local scour around bridge piers was severely restricted by the sediment transport formulae. The new formula introduced in this paper can take into account vortices that affect the local scour process by adding some terms into the classic bed‐shear stress equation. The 3D numerical model system used in this study consists of three modules: (a) an unsteady hydrodynamic module; (b) a sediment transport module; and (c) a Fation module. The hydrodynamic module is based on the 3D RANS equations. The sediment transport module is comprised of semi empirical models of suspended load and non‐equilibrium bed load. The bed‐deformation module is based on the mass balance for sediment. The model was used to simulate pier scour in tree different test cases: (1) a circular pier; (2) a square pier; and (3) a rectangular pier, by applying the ordinary sediment equation and the newly introduced sediment equation. Results of both numerical simulations were compared against laboratory measured data and also in case 1 with result of Olsen and Melaaen (J. Hydraul. Eng. 1993; 119 (9):1048–1054). Comparisons show that the new sediment formula could predict the scour more accurately than the ordinary one. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.