摆动河槽水动力稳定性特征分析

河流形态与水动力结构息息相关,形态约束水动力结构,水动力结构则通过泥沙运动进一步塑造形态,在自然界河流中形成一对辩证互馈关系.天然河流形态形式多样,大致可以分为顺直、微弯、分叉和散乱游荡几种类型,其中微弯及多个弯曲构成的河型为河流动力演化中最重要的一环.多个弯曲构成的河型可用正弦派生曲线来描述,它也是天然河流主槽与水动力结构复杂相互作用的结果.作为探讨这一过程的力学作用机理,构建摆动槽道并研究槽道摆动与其内部流动结构的互馈关系,既是流体力学研究的热点内容,也是目前河流动力过程研究的基础内容.在此重点讨论这一互馈关系前一部分,即水流对摆动边界的响应.文中建立了随体坐标系下摆动河槽与内部水流动力响应理论模型,通过给定摆动弯曲槽道的不同特征参数,研究讨论了正弦派生型摆动边界下的槽道水流动力稳定性特征,明确了弯曲槽道摆动对其内部主流及扰动水流结构的影响,确定弯曲槽道摆动波数、摆动频率对扰动流发展影响的相应参数定量关系,得到了槽道弯曲度和摆动特征对其内部水流不同尺度扰动影响的阈值选择性范围.     

蜿蜒边界下平面流的线性流动稳定性

为便于数值分析,蜿蜒河流水动力和演变模型中一般隐性假设二次时均流-二次涡的关系与明渠流时均流-明渠湍流的关系相同,但由于高雷诺数下的DNS算力限制和实验尺度限制,这种隐含假设是否成立目前尚无相关湍流研究来支撑.文章试图通过分析明渠湍流和二次湍流发展初期的研究,侧面揭示其湍流结构的异同.通过对曲线正交坐标系下的平面二维NS方程使用双参数摄动的方法,建立了一种求解蜿蜒边界弱非线性层流的摄动解法,并推导得出一个适用于蜿蜒边界的EOS方程以及其特征值问题的解法.蜿蜒边界下弱非线性层流解为一系列蜿蜒谐波分量的叠加,其中线性部分使得两壁产生流速差,非线性部分随着雷诺数增大呈指数增长.水流的扰动增长率特征谱的第一模态与直道流相似,由3条曲线、4个波段合成,但其长波段和短波段的扰动流场与直道流不同,所有短波段的扰动流速近似于KH涡.蜿蜒边界对内部水流扰动有一定的选择性.偏角幅值越大扰动增长越快;蜿蜒波数的影响则为先增后减,有一个使扰动增长最快的蜿蜒波数.扰动流场由一个典型的TS波和一对波包形式的二次涡叠加而成,波包只有纵向流速分量,包络线由蜿蜒波数控制,波包内是与直道扰动波参数相同的TS波.     

基于小扰动理论的微弯河岸沿线扰动压力分布

为揭示微弯河岸沿线的扰动压力分布规律及主要影响因素,以水流运动的二维浅水方程为基础,运用小扰动理论对基本方程及边界条件进行线性化处理,推导正弦型微弯河岸缓流情况下的扰动压力分布公式,并进行影响因素的敏感性分析. 压力分布的解析解与影响因素的敏感性分析表明,在缓流条件下,正弦型微弯河岸的扰动压力分布呈正弦曲线变化,扰动压力的峰值和谷值分别出现在凹岸和凸岸的最大曲率位置,弯曲河岸的振幅与波长比a/λ是影响其沿线压力分布的主要因素. 研究成果可用于估算河流地表水与河岸地下水交换的边界条件,将有利于河岸侧向潜流交换机理及河岸带相关研究的进一步开展.     

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.      

曲线坐标系下平面二维浅水模型的修正与应用

借鉴有关弯道水流流速分布的研究成果,计入弯道环流引起的横向的动量交换,对曲线坐标系平面二维浅水方程做了修正;采用边界处正交的曲线网格生成技术,处理复杂的计算区域边界。采用修正后的模型对90°弯道水流进行了数值模拟,并与原模型的计算结果及实测资料进行了比较,结果表明该模型能够有效地模拟流线弯曲的复杂水流的水力特性。     

单向偏心粘弹性梁弯扭耦合振动复模态分析

对单向偏心等截面粘弹性梁,考虑偏心引起的弯扭耦合作用.将运动方程写成状态方程形式,利用复模态正交性将其解耦成为若干个广义复振子的求解和叠加问题;使用跟踪结构边界条件矩阵行列式零点的方法求得复频率和复模态,进而可以求得粘弹性偏心梁在任意初始条件和外部激励下的动力响应.通过算例,从结构复频率、复模态幅值和幅角、在不同频率简谐集中力作用下结构动力响应等方面综合分析了粘弹性阻尼和弯扭耦合的影响.计算结果表明,在粘弹性阻尼作用下,衰减系数随振型阶数而增大,振动频率随之不断减小;单纯弯曲和扭转振动的固有频率分布影响各阶复模态中弯扭耦合作用的强弱.通过与有限元法计算结果比较,验证了本文方法的合理性.     

爆炸冲击波在长直坑道和复杂坑道内传播规律的对比研究

利用非线性动力分析软件LS-DYNA,对炸药在坑道入口处爆炸情况下,爆炸流场在长直坑道、＂L＂形坑道、＂S＂形坑道内的变化过程进行了数值仿真,得到了爆炸冲击波在不同形状坑道中的传播规律。研究结果表明：带弯道设计的坑道可以有效地削弱冲击波强度,提高坑道的抗破坏能力;弯道外侧峰值压力比同位置长直坑道中的峰值压力大,因此在进行带弯道的坑道设计时,应相应地加强弯道外侧坑道壁的强度。该方法适合于解决爆炸冲击波在复杂弯曲坑道内传播的问题,为今后的坑道防护设计提供了参考和依据。     

弯道水流数值模拟研究

采用边界拟合坐标技术,生成边界处正交的曲线网格,在曲线坐标系中进行弯道水流数值计算。借鉴现有关于弯道水流流速分布的研究成果,对曲线坐标系平面二维浅水方程作了修正,修正后的方程组能够计入弯道环流引起的横向的动量交换,即考虑了二次流对流线弯曲的复杂水力特性的影响。通过连续弯道实例计算,验证了该模型的可靠性和实用性。     

90°弯道明渠横向环流的大涡模拟研究

采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠水流的水力特性。使用有限体积法对控制方程进行离散;使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解速度与压力的耦合;采用了VOF(Volume of Fluid)法模拟自由水面。通过计算得到弯道处流速、压强系数、横向环流强度等水力参数的分布规律。分别比较弯道纵向流速与横向流速的模拟值与实验值,二者吻合较好。通过分析弯道环流的流态特征得出:因受重力作用与水流在流经弯道时发生的离心现象的影响,凸岸附近较凹岸存在较大的二次流强度的结果;凸岸与凹岸压强系数均沿程增大,当达到弯顶时,水面横比降达到最大值;弯道横向环流强度随弯道角度增大而逐渐增大,其最大值出现在明渠底部。     

弯道水流二维浅水模型的修正研究

借鉴有关弯道水流流速分布的研究成果,计入深度平均流速与真实流流速分布差值引起的扩散效应,在正交曲线坐标系下建立了平面二维浅水模型.采用以标准κ-ε模型为基础的曲率效应修正紊流模型模拟紊动应力项,在一定程度上考虑了流线弯曲水流紊动应力的各向异性.应用控制体积法和交错网格法离散方程,并用SIMPLEC算法求解离散方程;同时采用修正后的模型对90°弯道水流进行了数值模拟,并与原模型的计算结果及实测资料进行了比较,结果表明该模型能够有效地模拟流线弯曲水流的水力特性.     

Theoretical analyses on bed topography responses in large depth-to-width ratio river bends with constant curvatures

Bed morphology is the result of a dynamic response to a complex meandering river system. It is an important factor for the further development of river. Based on the meandering river characterized by a large depth-to-width ratio, a theoretical model is established with the coupling of Navier-Stokes (N-S), sediment transport, and bed deformation equations. The flow characteristics and bed response of river are obtained with the perturbation method. The research results show that, under the effect of two-dimensional flow disturbance, the bars and pools present the regular response. For a given sinuousness, the amplitude of the bed response can be used as a criterion to judge the bedform stability. The effects of the Reynolds number, disturbance wavenumber, sinuousness, and bed morphology gradient on the bed response development are described.     

Theoretical analyses on hydrodynamic instability in narrow deep river with variable curvature

Bending river is the most common river type in nature, and it is also a typical example for river evolution. The transform of the flow pattern can affect the development of the riverbed form. In return, the variation in the riverbed form can affect the hydrodynamic characteristics of the flow, thereby leading to the continuous evolution of the bending river. Based on this, a theoretical model for the bending river is established. The hydrodynamic instability characteristics of the laminar flow in the channel with a variable curvature, a typical model as the meandering river, are studied, and the variations of some parameters such as the curvature, the wave number, and the wave frequency are also discussed.     

NONLINEAR AND QUASI-LINEAR BEHAVIOR OF A CURVED CARBON NANOTUBE VIBRATING IN AN ELECTRIC FORCE FIELD; AN ANALYTICAL APPROACH

The nonlinear vibrational model of a slightly curved single-walled carbon nanotube （SWCNT） resting on a Winkler-type elastic foundation is developed using nonlocal Euler- Bernoulli elastic theory. The SWCNT is assumed to vibrate under an external harmonic electric force field and an analytical solution is proposed to obtain the nonlinear resonant frequencies. The results show good agreement with the numerical simulation and the obtained analytical frequency is com- pletely related to the curvature of the nanotube. Our model predicts that although the model is nonlinear in nature, the curved SWCNT could behave linearly in a certain amount of curvatures and this quasi-linear vibrational behavior of curved SWCNT is a function of aspect ratio, nonlocal parameter, and stiffness of the foundation.     

大气运动非线性稳定性研究中的能量-Casimir方法

介绍使用能量－Ｃａｓｉｍｉｒ方法（Ａｒｎｏｌ＇ｄ方法）研究大气与海洋运动非线性稳定性所取得的若干新进展,建立了适用于有限振幅、任意空间结构扰动的非线性稳定性判据．用初始状态给出了扰动场在任意时刻的上界与下界估计,提供了关于扰动变化性态的有关信息．对该领域理论研究与应用的深化与发展问题也作了讨论．      

河型发育过程的二维数值模拟研究

改进已有二维平面水沙模型,进一步考虑河床粗化、弯道二次流及河床结构对泥沙输运的影响;并针对河湾形态对崩岸的影响提出新的非粘性土崩岸模拟方法,使其能模拟边滩的形成。利用改进后模型分别对Yen弯道水槽泥沙冲淤试验及Friendkin室内弯曲小河塑造试验进行模拟;模拟结果与试验观测资料吻合较好,表明考虑弯道对泥沙输运及河岸崩塌影响的模型能够更准确反映天然河流演化过程,为研究河型演化机理及各控制因素变化规律提供新手段。     

大气运动非线性稳定性研究中的能量-Casimir方法

介绍使用能量－Ｃａｓｉｍｉｒ方法（Ａｒｎｏｌ＇ｄ方法）研究大气与海洋运动非线性稳定性所取得的若干新进展，建立了适用于有限振幅、任意空间结构扰动的非线性稳定性判据．用初始状态给出了扰动场在任意时刻的上界与下界估计，提供了关于扰动变化性态的有关信息．对该领域理论研究与应用的深化与发展问题也作了讨论．     

涂布流动的非线性阈值问题

本文研究了沿斜面流动薄层液体的非线性稳定性,即涂布流动的非线性稳定性问题。我们将周恒对平面Poiseuille流提出的弱非线性理论应用于涂布流动。文中对自由表面的世界条件提出了一个合理的简化方法,对亚临界时不同Reynolds数及扰动频率,求出了有限扰动的阈值。     

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.