明渠层流近床面颗粒拖曳力研究

泥沙颗粒受到的拖曳力是泥沙运动的主要驱动力,而当前应用于计算流体力学-离散颗粒法(CFD-DPM)耦合模型进行水沙运动模拟的泥沙颗粒拖曳力公式均没有考虑明渠流底床边壁作用的影响。求解不可压缩Navier-Stokes方程,对明渠层流不同雷诺数条件下床面附近不同高度处颗粒所受拖曳力进行了模拟,根据模拟结果变化规律,提出了综合考虑床面和水流惯性对标准拖曳力影响的修正拖曳力计算公式。与常用的单颗粒标准拖曳力公式和考虑遮蔽效应的多颗粒拖曳力公式相比,采用本文修正公式得到的水沙作用力更接近高精度数值解,应用于CFD-DPM输沙模拟获得的输沙结果与输沙率公式结果一致,应用分析表明输沙模拟应当采用粗糙底床边界。     

带自由表面水流与离散颗粒耦合模型研究

基于考察泥沙运动的细观行为特征,采用离散单元法(DEM)模拟泥沙颗粒运动,结合带自由表面的水动力学计算模型,建立了CFD-DEM耦合数值模型。计算程序开发基于Fortran语言来实现。耦合模型中实现了硬球模型和软球模型两种颗粒碰撞模型,应用范围较广。作为自由表面水流与泥沙颗粒流数值模型的初步研究,在模型建立的基础上,对模型做了基本的验证。分别通过单颗粒静水沉降和混合颗粒群分选两个计算工况,验证了模型的正确性及模拟精度。该耦合模型可进一步丰富带自由表面水流条件下泥沙运动的研究手段。     

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．     

方柱尾流流态对床面冲淤形态的影响

应用平面二维悬沙数学模型对方柱尾流区的泥沙输运及床面调整进行了数值模拟，并对重要物理参数做了分析说明。数值计算采用时间分裂一全隐式有限差分格式，流场的计算基于沿水深平均的RANS方程。通过系统的数值模拟，揭示了不同来流情况下，方柱尾流区的流态变化，及与之相应的床面变化规律，并对不同流态下的泥沙运动作了分析。计算结果表明在方柱尾流区，不同的流场流态对尾流区的床面调整有明显影响。流场较弱的情况下，尾流区中湍动强度相应较弱，此时悬浮泥沙由于流速减小而普遍落淤，床面应力的减小也致使床面冲刷量减小。随着流场强度的逐渐增大，尾流区中湍动强度相应增强，床面应力增大，同时湍流的强烈交换作用增强了对泥沙的输运作用，床面变化不再是简单的淤积状态，部分区域出现了冲刷。     

床面固体颗粒圆柱绕流的试验现象观察

本文介绍了床面固体颗粒随水流绕过圆柱体时，将在圆柱周围的床面上形成一个无粒子运动区的试验现象。水槽试验结果表明，当固体颗粒的粒径减小时，无粒子区的范围将增大；无粒子区的范围随圆柱直径的增大而增大；水流条件的变化直接影响着床面固体颗粒的运动情况，同无粒子区的形成、消失及范围大小有密切的关系。根据试验资料，结合量纲分析，建立了无粒子区的无量纲经验关系式     

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.     

关于颗粒悬浮机理和悬浮动的讨论

从分析气体分子的悬浮和静水中Ｂｒｏｗｎ微粒的悬浮之机理出发,论述了重力场中粒子（分子、微粒等）的悬浮不一定需要其它外力,粒子本身的任何形式的无规则运动,达到一定强度后都能使粒子弥散悬浮．河流中的泥沙颗粒和气（水）力输送管道中的颗粒的悬浮也主要靠颗粒物的无规则运动．作用于颗粒的升力和其它力可改变颗粒悬浮沿高度的分布,但仅用这些力（若无任何无规则运动）无法解释颗粒的弥散悬浮状态．讨论了颗粒对流动阻力的双重作用：支持颗粒悬浮的湍流脉动因引入颗粒而削弱,这是颗粒的减阻作用;颗粒增阻的一个主要机制是,流体给予颗粒的水平动量在颗粒一壁面碰撞中不断地损失．用悬浮动概念解释颗粒引起的增阻是不正确的．     

关于颗粒悬浮机理和悬浮动的讨论

从分析气体分子的悬浮和静水中Ｂｒｏｗｎ微粒的悬浮之机理出发，论述了重力场中粒子（分子、微粒等）的悬浮不一定需要其它外力，粒子本身的任何形式的无规则运动，达到一定强度后都能使粒子弥散悬浮．河流中的泥沙颗粒和气（水）力输送管道中的颗粒的悬浮也主要靠颗粒物的无规则运动．作用于颗粒的升力和其它力可改变颗粒悬浮沿高度的分布，但仅用这些力（若无任何无规则运动）无法解释颗粒的弥散悬浮状态．讨论了颗粒对流动阻力的双重作用：支持颗粒悬浮的湍流脉动因引入颗粒而削弱，这是颗粒的减阻作用；颗粒增阻的一个主要机制是，流体给予颗粒的水平动量在颗粒一壁面碰撞中不断地损失．用悬浮动概念解释颗粒引起的增阻是不正确的．     

细颗粒泥沙净冲刷和输移的大涡模拟研究

在传统水沙输移数值模拟研究中一般采用雷诺时均模拟技术(Reynolds-averaged simulation,RANS).与RANS相比,大涡模拟技术(large eddy simulation,LES)能够更加精确反映细部流动结构,计算机的发展使得采用LES探讨水流和泥沙运动规律成为可能.本文尝试给出净冲刷条件下悬沙计算的边界条件,采用动态亚格子模式对循环槽道和长槽道中的水流运动和泥沙输移进行了三维大涡模拟研究.利用直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)结果对LES模型进行了率定,计算结果符合良好,在此基础上初步探讨了泥沙浓度、湍动强度和湍动通量等的分布特征.结果表明,净冲刷条件下输沙平衡时泥沙浓度符合Rouse公式分布,单向流动中泥沙浓度沿着流向逐渐增大.泥沙浓度湍动强度和湍动通量都在近底部达到最大值,沿着垂向迅速减小.湍动黏性系数和扩散系数基本上在水深中间处达到最大.湍动Schmidt数沿着水深方向不是常数,在近底部和自由水面附近较大,在水深中间处较小.     

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。     

基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球" 浸入边界法和基于"事件驱动" 模型和"弹簧-阻尼" 模型的颗粒离散元法, 数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变. 通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算, 并与经典输沙率公式进行对比, 验证了模型的精度和可靠性. 随后, 对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟, 计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线. 研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(tU_b=h≈100) 发展出数条沙纹, 随后沙纹逐渐发展, 在tU_b=h为1 600~2 000 时, 沙纹发生合并. 在沙纹数量不变的条件下, 沙纹高度随时间近似呈线性增长, 而沙纹的长度的平均值却保持恒定. 随着沙纹高度的增大, 输沙率和体积流速逐渐降低, 沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时, 沙纹高度快速增加, 输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃. 在同等的水流强度条件下, 有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.      

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.      

河口混合与泥沙输运

根据振荡边界层理论和波流分解方法,导出了河口往复水流的流速垂向分布廓线,据此建立了河口垂向准二维水流、盐度、泥沙运动模型。对泥沙输运,完整地考虑了其对流、扩散、起动和沉降的动力学过程。模拟结果与实测资料进行了对比。应用该模型研究河口泥沙输运,分析了河口混合对泥沙输运的影响及最大浑浊带的时空变化规律。     

泥石流反粒径分布的一种定性解释

假设泥石流中的粗颗粒（如石块等）以跳跃的方式前进,通过分析单个颗粒在定常充分发展的流场中的运动,给出了单一起跳速度下以及具有一定分布的起跳速度下,颗粒数密度随高度的分布,并给出了起跳粒径有分布时颗粒的平均粒径随高度的分布,定性地解释了泥石流中的反粒径分布现象。     

用PDF方程法分析悬沙垂线浓度分布

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发。建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程．对于明渠二维恒定均匀流。利用垂向动量方程导出了新的泥沙扩散方程。表明颗粒脉动强度梯度、升力、重力沉降和紊动扩散都影响悬沙运动。说明了传统扩散方程的不足．理论分析了水沙两相物理属性和水流条件对泥沙扩散系数和浓度分布特征的影响。并通过细颗粒试验资料的分析进行了定量研究．     

水平液─固流中颗粒抑制湍流的行为和条件

用激光多普勒分相测量方法，考察了水平含颗粒水流的主流区，亚毫米颗粒对水流湍流有抑制行为，湍流削弱程度与颗粒浓度、流动发展长度、水流雷诺数等因素有关．按照不出现尾涡脱落和至少能响应一部分大尺度涡的运动这两个基本条件，分析了湍流抑制与有关参量的依赖性．结果表明，流动尺度和颗粒尺寸之比，对于颗粒消耗而不增生湍流起着最主要的作用．在一定的水流雷诺数下，只要这一比值很大，亚毫米颗粒就会表现出对湍流的抑制作用     

水平液─固流中颗粒抑制湍流的行为和条件

用激光多普勒分相测量方法，考察了水平含颗粒水流的主流区，亚毫米颗粒对水流湍流有抑制行为，湍流削弱程度与颗粒浓度、流动发展长度、水流雷诺数等因素有关．按照不出现尾涡脱落和至少能响应一部分大尺度涡的运动这两个基本条件，分析了湍流抑制与有关参量的依赖性．结果表明，流动尺度和颗粒尺寸之比，对于颗粒消耗而不增生湍流起着最主要的作用．在一定的水流雷诺数下，只要这一比值很大，亚毫米颗粒就会表现出对湍流的抑制作用     

一种新的往复流试验平台及其泥沙冲刷试验研究

本文提出一种可以模拟潮流运动的自动化控制水槽。该水槽可以时控制往复流两端的水位,实现流的往复运动,并可以按计算机要求实现水位的稳定或渐变。本文同时利用该水槽进行了圆柱开桥墩周围的测试数据、照片为基础、分析了不同水流条件下圆柱形桥墩周围的床面冲刷情况。试验发现在桥墩附近,水流的旋滚运动及旋涡系是造成床面冲刷的主要原因,另外对于往复流情况,桥墩附近床面受到的冲刷比固定水位冲刷时要严重,也更为复杂 。     

长江口拦门沙地区泥沙输运

本文建立了长江口拦门沙地区泥沙运动的数学模型，所得水流和含沙量与现场观测资料相符合，分析了潮波和径流作用下泥沙输运规律，预测了整治工程实施后主航道地貌变化．     

风沙颗粒运动的数字高速摄影图像的分割算法

为了深入理解多因素驱动下风沙颗粒起动的动态演化规律, 需要准确地获得沙质床面附近沙粒群起跳的方式、速度和运动轨迹. 以连续强激光源为照明的数字高速摄影技术是研究这类问题的有效手段, 但由于风沙运动的高速摄影图像具有运动沙粒和静止床面的对比度小、相邻两帧图像相似性小等特点, 原始图像叠加算法难以有效实现目标与背景的分割. 该文提出了基于相邻的风沙运动图像灰度差值变化原理的图像分割算法. 实例显示,只要选择合适的相邻图像灰度差值阈值和自适应二值化处理方法就能实现图像中运动沙粒与床面分割. 当起跳沙粒浓度较低情况下, 基于MATLAB平台的最小距离匹配的粒子追踪算法(PTV算法)能较为准确地恢复床面附近沙粒的运动轨迹.