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含沙水流在植被斑块中的输沙规律及阻力机制试验

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农业工程学报 2023年第12期39卷 95-103页

作者：李佳颐宋艳暾蔡崇法郝蓉占昌华温希望华中农业大学资源与环境学院武汉430070

为深入探究自然状态下含植被水沙运动过程及植被阻水拦沙机理,利用室内开闸式平坡水槽试验研究了泥沙粒径级配、植被冠层形态特征、植被密度对含沙水流输沙规律及阻力机制的影响。提出植物叶片长宽比作为衡量单株植物的冠层形态特征指标... 详细信息

为深入探究自然状态下含植被水沙运动过程及植被阻水拦沙机理,利用室内开闸式平坡水槽试验研究了泥沙粒径级配、植被冠层形态特征、植被密度对含沙水流输沙规律及阻力机制的影响。提出植物叶片长宽比作为衡量单株植物的冠层形态特征指标,用无量纲沉积通量和不同尺度下的无量纲冠层阻力划分含沙水流运动状态,掲示冠层形态特征及泥沙粒径级配对含沙水流运动过程的影响。研究结果表明,含沙水流中泥沙沉积通量受植物冠层形态和粗粒径悬移质(10~100μm的弱黏性颗粒)含量影响,且植被冠层形态及泥沙粒径级配与无量纲沉积通量之间在阻力主导阶段存在强烈的反馈机制。植被冠层形态较大或粗粒径悬移质含量高的含沙水流中,沿水流运动方向床沙细化趋势更显著。相较于受叶片长宽比影响的冠层形态特征及植被密度,悬移质泥沙粒径级配因素对植被阻水拦沙效果的影响程度较为微弱。研究成果可为流域侵蚀输沙过程和河流水沙资源管理提供一定的科学依据。

关键词：泥沙粒径含沙水流植被阻力冠层形态水槽试验

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含沙水流下无砂混凝土板的渗流特性研究

含沙水流下无砂混凝土板的渗流特性研究

作者：耿宽太原理工大学

学位级别：硕士

现如今,河流及水库水资源的有效利用,对社会经济的发展发挥着巨大的作用,但由于水资源污染以及不恰当的取水方式,使得我国水资源面临严峻的考验。淡水资源匮乏和水质污染问题是当前迫切需要重视的,节约用水的同时也需采取合理的取水方式... 详细信息

现如今,河流及水库水资源的有效利用,对社会经济的发展发挥着巨大的作用,但由于水资源污染以及不恰当的取水方式,使得我国水资源面临严峻的考验。淡水资源匮乏和水质污染问题是当前迫切需要重视的,节约用水的同时也需采取合理的取水方式,实现水资源高效利用和可持续发展,积极发展节水的工农业技术,是我国坚持走可持续发展道路中迫切需要解决的问题。渗流取水可以有效排除水中泥沙,达到净化水质的目的,渗流取水时材料选取至关重要。河道中渗流取水时一般选取用无砂混凝土材质制作成的板块作为主要渗水构件,由于河流中含有泥沙,因此有必要对含沙水流下无砂混凝土板的渗流特性进行研究。本文结合“山西省辛安泉取水枢纽库内集渗管改扩建工程”,采用理论分析和物理模型试验相结合的研究方法,对布设方式、压力水头、容重及含沙水过流时间等影响无砂混凝土板渗流特性的因素做了研究,得到主要结论如下:(1)无砂混凝土板在清水试验和含沙水流试验时,水平布设和竖直布设下流经无砂混凝土板水流的流态均为过渡流。在含沙水流试验下,无砂混凝土板在竖直布设时的水流流态更接近层流。同一压力水头下,水平布设无砂混凝土板的渗流量大于竖直布设无砂混凝土板渗流量并且随着压力水头的增加,无砂混凝土板渗流能力受布设形式的影响将越来越弱。(2)无砂混凝土板在水平布设和竖直布设时,其渗流量与压力水头呈正相关,同一压力水头下,含沙水流下无砂混凝土板的渗流量始终小于清水下的渗流量。同一容重的无砂混凝土板,其渗流量的增幅随压力水头的增加而出现递减的变化趋势,与渗流曲线的整体趋势相一致,且无砂混凝土板容重越大,其渗流特性受压力水头的影响程度愈越大。(3)无砂混凝土板在清水试验和含沙水流试验时,无砂混凝土板的渗流量随容重的增大而减小,无砂混凝土板在清水和含沙水下,渗流量的减小量随着压力水头的增加而增加,并且含沙水下渗流量的减少趋势小于清水下的减少趋势。(4)水平布设和竖直布设下,在相同过流时间下,压力水头越大,无砂混凝土板渗流量越大,且渗流量随着含沙水过流时间的延长而减小。水平布设下,容重越小的无砂混凝土板,越容易被含沙水流携带的泥沙所淤塞,其渗流量随含沙水流过流时间的降低程度越大,而在竖直布设下,无砂混凝土板渗流量随过流时间的降低程度受容重的影响较弱。水平布设无砂混凝土板的渗流量随含沙水过流时间的减小幅度大于竖直布设。(5)将不同布设形式下的渗流系数、渗流指数与容重分别进行了拟合,得出了水平布设和竖直布设下渗流量关于压力水头及容重的一般关系式,最后通过将特定压力水头下的实测渗流量与理论渗流量进行对比分析,发现实测值与理论值的相对误差均在误差允许范围内,说明两种布置形式下的渗流关系式较精确,这对于无砂混凝土板在不同布设方式下的渗流量计算具有一定指导作用。(6)无砂混凝土板渗流能力恢复率与压力水头呈正相关,人工清除表层泥沙后高压水枪冲洗的清淤效果最好,恢复率最好达到了81.3%。本文的研究成果既是对渗流取水体系的完善和补充,也可以对无砂混凝土板实际工程应用方面提供一定理论参考。

关键词：无砂混凝土板含沙水流渗流量压力水头容重布设方式

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含沙水流定常边界层的流动特性研究

水力发电学报 2004年第1期23卷 64-68页

作者：刘彦周俊虎齐学义岑可法浙江大学热能研究所杭州310027 甘肃工业大学流体机械系兰州730050

本文在推导固液两相流动边界层数学模型的基础上 ,采用泊松 (Poisson)方程来生成网格 ,使网格的生成得到较好的控制 ,同时对方程进行适体坐标变换并利用有限差分法对之进行离散求解。

关键词：动力机械工程含沙水流边界层流场计算泊松(Poisson)法

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含沙水流中翼型空蚀磨损试验

农业机械学报 2010年第11期41卷 31-37页

作者：张涛陈次昌郭清西南石油大学石油工程学院成都610500 西南石油大学机械工程学院成都610500 中国石油大学石油天然气工程学院北京100011

模拟水力机械内部流动环境,在收缩-扩散型试验段中对翼型进行了空蚀、磨损及两者联合作用破坏试验,观测表面破坏微观形貌并测量破坏深度分布规律。空蚀形貌呈较为规则的近圆独立蚀坑,其分布较为随机。根据颗粒对表面作用的不同,磨损形... 详细信息

模拟水力机械内部流动环境,在收缩-扩散型试验段中对翼型进行了空蚀、磨损及两者联合作用破坏试验,观测表面破坏微观形貌并测量破坏深度分布规律。空蚀形貌呈较为规则的近圆独立蚀坑,其分布较为随机。根据颗粒对表面作用的不同,磨损形貌表现为冲击、铲削、犁耕及切削等类型。在较高固相质量浓度下,联合作用破坏形貌大多在极端的角度(90°或0°)以颗粒磨损形式出现,其尺度特征在翼型表面随位置后移远大于磨损形貌,宏观破坏深度明显比单纯磨损大;而在低固相质量浓度下,微观形貌为空蚀磨损共存。

关键词：翼型含沙水流空蚀磨损微观形貌

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植被斑块中含沙水流运移规律研究

植被斑块中含沙水流运移规律研究

作者：占昌华华中农业大学

学位级别：硕士

水营力作用搬运地表土壤形成含沙水流,含沙水流的挟沙能力致使泥沙不断向流域下游输移,造成水土流失和面源污染等严重环境问题。因此研究含沙水流运动的水流特征与影响因素,对理解水力作用引起的土壤侵蚀有重要的指导意义。本文以含沙... 详细信息

水营力作用搬运地表土壤形成含沙水流,含沙水流的挟沙能力致使泥沙不断向流域下游输移,造成水土流失和面源污染等严重环境问题。因此研究含沙水流运动的水流特征与影响因素,对理解水力作用引起的土壤侵蚀有重要的指导意义。本文以含沙水流为研究对象,通过设置含沙水流中不同的泥沙粒径组成(10-100μm65%、10-100μm74%、10-100μm81%)、植物形态(长宽比L/W=2.67、1.07)和植被密度(SPF=1%、2%、3%)以及水流深度(H=9、12、15cm),进行了一系列的室内闸门水槽交换试验,所有试验下的植被斑块均按照随机方式布设,在测试区底部每间隔20cm设置一个泥沙沉积收集装置,共设置15个。试验过程中利用高速动态摄像机全程记录含沙水流的前进位置和对应时间,收集的泥沙沉积样品通过马尔文3000激光粒度分析仪测算颗粒组成和粒径分布,定量研究了植被斑块对含沙水流运动速度、泥沙沉积通量的作用规律,并建立预测方程。主要研究结果如下。(1)含沙水流在植被斑块中运移规律可划分为三个主要阶段:惯性力阶段、阻力主导阶段和粘滞力阶段,并建立了含沙水流惯性力阶段和阻力主导阶段的流速预测方程。惯性力阶段,含沙水流运动的预测方程为V=0.45(g′H/4)(g′表示有效加速度,H表示水流深度),此阶段水深恒定时,含沙水流流速保持恒定不变。含沙水流运动速度与泥沙粒径组成、植物形态和密度均无关,有且仅与水深相关。在阻力主导阶段,含沙水流运动的预测方程为V=0.64(qg′d/Cφ)?t(-1/2)),此阶段含沙水流流速逐渐减小,含沙水流运动速度主要与植被密度、植物形态相关,与泥沙粒径组成无关。(2)含沙水流中的泥沙在植被斑块中运移呈现不同的沉积规律。在惯性力阶段,沉积的泥沙无颗粒偏析现象,且含沙水流的沉积通量基本保持不变。在阻力主导阶段,沉积的泥沙越来越多的以细颗粒为主,沉积通量逐渐减小。植被密度、水流深度、植物形态以及含沙水流的泥沙粒径组成均对含沙水流的沉积通量有显著的影响。较大的植被密度拦沙能力强,含沙水流的沉积通量较小。水流深度的加深导致泥沙沉积通量上升。含沙水流中粗颗粒含量越高,含沙水流的初始沉积通量越大,在植被斑块中的运移距离越短。(3)在含沙水流的惯性力阶段,含沙水流流速的平均测量值与预测值之比随植被体积分数ad的增大而保持不变,植被斑块的存在对含沙水流流速无影响。在阻力主导阶段,含沙水流速度比随着植被体积分数ad的增大而下降,当ad>0.056时,含沙水流速度比趋近于1,含沙水流流速与预测流速相同。(4)对于植被斑块中不同粒径组成的含沙水流,植被正面面积a H存在阈值,当植被正面面积a H含沙水流从惯性力阶段向阻力主导阶段过渡,随后从阻力主导阶段过渡的位置随着植被正面面积的增大而延长。当植被正面面积a H>0.68时,阻力主导阶段的区域长度恒定不变。泥沙粒径组成中的细颗粒有利于含沙水流向前运动,不同泥沙粒径组成中细颗粒占比越多,含沙水流的阻力主导阶段的区域更长。(5)无植被斑块时,不同泥沙粒径组成的含沙水流运动速度无显著差异,含沙水流流速随着水深的增大而增大。

关键词：含沙水流植被斑块泥沙粒径组成流速沉积通量

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水平管道含沙水流粗颗粒水力输送机理研究

水平管道含沙水流粗颗粒水力输送机理研究

作者：赵亮亮华北水利水电大学

学位级别：硕士

中小型水库管道排沙清淤过程中,水库淤积物中的卵石颗粒不可避免的被吸入管道,造成管道淤堵事件,给水库清淤等工程实践带来了诸多困扰。输淤管道内高含沙水流驱动卵石粗颗粒运动过程中,卵石粗颗粒会对高含沙水流的流场结构产生反馈影响... 详细信息

中小型水库管道排沙清淤过程中,水库淤积物中的卵石颗粒不可避免的被吸入管道,造成管道淤堵事件,给水库清淤等工程实践带来了诸多困扰。输淤管道内高含沙水流驱动卵石粗颗粒运动过程中,卵石粗颗粒会对高含沙水流的流场结构产生反馈影响,从而导致管道系统能耗增加,整体输送效率降低。粗颗粒管道水力输送运动机理及其互馈效应是管道排沙中的关键技术难题。因此,本文采用现状分析、模型试验和理论推导等研究方法,结合颗粒介质力学、流体力学和泥沙动力学等基本理论,开展排沙管道流体粗颗粒运动机理及其互馈效应研究,阐明不同粗颗粒粒径、粗颗粒输沙率和管流流速条件下管道固液两相流输送机制,明晰不同管道输送机制条件下管道压强特性分布规律,构建粗颗粒粒径和粗颗粒输沙率与管道时均压强沿程损失、脉动压强振幅概率分布、功率谱分布之间的内在联系,为未来的管道排沙清淤工作提供理论参考。结果表明:(1)梳理河南省中小型水库泥沙淤积现状。河南省水库总淤积量达7.16亿m,淤积物泥沙以中粗沙为主,多数水库因泥沙淤积造成水库功能受损,仅个别地市针对少数水库进行了水库清淤工作;南阳、洛阳和驻马店3个地市占河南省水库泥沙淤积量的比例最高,均高于15%;同时阐明了中小型水库常用清淤方式的利弊,并强调了管道排沙清淤的必要性。(2)开展水平管道清水粗颗粒输送试验,在管道观测段采用高速摄像机PTV(Particle Track Velocimetry)观测系统,基于粗颗粒在管道内的运动状态判定了3种输送机制,即聚集输送、层移输送和移动输送,并研究了3种输送机制管道底部压强分布特征;将管道清水试验与相同工况条件下含沙水流试验结果进行对比分析,基于含沙水流管道压强整体分布特征,得出含沙管流粗颗粒运动状态也可分为聚集输送、层移输送和移动输送。(3)粗颗粒粒径对管道水力输送影响机制研究。管道清水与含沙水流输送时不同的压强随颗粒粒径的变化趋势一致,仅部分拟合函数的形式发生了变化;含沙水流中挟带大量悬移质细颗粒,管流内部紊动增强;管道含沙水流输送时,正态分布拟合函数随粗颗粒粒径变化规律不单调,管流挟沙显著影响了脉动压强拟合函数的分布形态;管道含沙水流输送时脉动压强频率也集中在2～20 Hz主频范围内,随着粗颗粒粒径的不断增大,且主频逐渐由高频向低频转移,特别是5～15 Hz主频范围能量显著增加。(4)粗颗粒输沙率对管道水力输送影响机制研究。聚集输送时随着粗颗粒输沙率的增大,管道清水与含沙水流输送的管道底部压强变化规律趋于一致;但管流挟沙时,同等粗颗粒输沙率条件下瞬时压强和脉动压强方差增大,管流内部紊动性增强,管道输送能量损失加快,能耗频率范围显著增大(由0～5 Hz范围扩大至0～24 Hz)。层移输送转化为聚集输送时随着粗颗粒输沙率的增大,管道清水与含沙水流输送的管道底部压强变化规律趋于一致,但脉动峰值压强则随粗颗粒输沙率增大而以自然数e为底数的指数函数增大;管流挟沙时,能耗频率范围显著增大(由0～13 Hz范围扩大至0～24 Hz)。

关键词：水平管道粗颗粒含沙水流颗粒运动脉动压强

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含沙水流对平面钢闸门底缘的冲蚀影响研究

水道港口 2023年第3期44卷 406-412,421页

作者：杨良泽蔡一平许旭东袁周致远吉伯海河海大学土木与交通学院南京210098 江苏省水利科学研究院南京210017

为研究含沙水流对平面钢闸门底缘的冲蚀磨损作用,基于有限体积法建立三维流场模型,采用FLUENT软件进行数值模拟。以最大冲蚀率为分析指标,通过控制变量法讨论单因素下水流速率、沙粒直径和含沙量对闸门动水开启过程中的冲蚀影响。结果表... 详细信息

为研究含沙水流对平面钢闸门底缘的冲蚀磨损作用,基于有限体积法建立三维流场模型,采用FLUENT软件进行数值模拟。以最大冲蚀率为分析指标,通过控制变量法讨论单因素下水流速率、沙粒直径和含沙量对闸门动水开启过程中的冲蚀影响。结果表明:含沙水流对平面钢闸门面板底缘的冲蚀作用随闸门高度的增大而逐渐减小,应避免门体长期处于低开度状态;闸门提升的不同阶段,其最大冲蚀率的降幅是一定的,开启初期降幅最大,随着开度增大而逐渐减小;水流速度和含沙量与闸门底缘的冲蚀率呈正相关,是影响面板发生冲蚀破坏的主要因素,而粒径的增大会使冲蚀率呈现减小的趋势。

关键词：含沙水流平面钢闸门冲蚀数值模拟

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孔板泄洪洞宣泄含沙水流脉动壁压特性研究

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2018年第8期51卷 879-886页

作者：刘昉丁瑞琳张建赫谷欣玉天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072

通过模型试验的方法研究了在不同含沙量下孔板泄洪洞脉动壁压的幅值特性、时空相关特性和频域特性.试验结果表明,脉压均方根在不同含沙量下的沿程分布规律相似,含沙量及水流来流条件均对脉压强度的大小产生重要影响,存在临界含沙量使脉... 详细信息

通过模型试验的方法研究了在不同含沙量下孔板泄洪洞脉动壁压的幅值特性、时空相关特性和频域特性.试验结果表明,脉压均方根在不同含沙量下的沿程分布规律相似,含沙量及水流来流条件均对脉压强度的大小产生重要影响,存在临界含沙量使脉压强度变化趋势发生改变;水流含沙后,时间和空间相关系数均比清水时降低,说明泥沙的加入使得水流大涡旋平均尺度有所减小;在各含沙量条件下脉动壁压的优势频率均属低频范畴,含沙水流归一化功率谱密度曲线存在其他频率的峰值,进一步验证了漩涡平均尺度的减小.

关键词：孔板含沙水流脉动壁压幅值时空相关频域

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

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水科学进展 2007年第4期18卷 490-495页

作者：潘成忠上官周平北京师范大学水科学研究院水沙科学教育部重点实验室中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室西北农林科技大学陕西杨陵712100

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明... 详细信息

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。

关键词：含沙水流水力学特性草地坡度泥沙拦蓄