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阶梯形丁坝区明槽紊流脉动流速的空间相关结构

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水运工程 2022年第11期 145-151,159页

作者：赵紫辰钟亮葛晨曦重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室重庆400074

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,脉动流速的空间相关结构是紊流相干结构的重要组成,可有效反映阶梯形丁坝区的流场特性。基于阶梯形丁坝区明槽紊流PIV流场测试资料,分析阶梯形丁坝区脉动流速空间自相关结构与互相关结构的分布特性,研... 详细信息

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,脉动流速的空间相关结构是紊流相干结构的重要组成,可有效反映阶梯形丁坝区的流场特性。基于阶梯形丁坝区明槽紊流PIV流场测试资料,分析阶梯形丁坝区脉动流速空间自相关结构与互相关结构的分布特性,研究脉动流速空间相关结构沿主流、水深及槽宽方向的变化规律。结果表明:纵向脉动流速自相关系数C_(uu)与垂向脉动流速自相关系数C_(vv)均为正值;自相关系数在0.3~0.9区间内的等值线,其分布范围随着水深增加而减小,随着与丁坝距离的增大而增大;近坝区纵、垂向脉动流速互相关系数C_(uv)与垂、纵向脉动流速互相关系数C_(vu)云图在丁坝下游约一级丁坝坝长范围内出现基本对称的正负分区现象;一级丁坝附近C_(uv)及C_(vu)云图中相关性较强的等值线分布范围在近坝区较大而水槽中心较小;水槽中心附近,脉动流速空间互相关系数绝对值较大的等值线基本分布在二级丁坝上方,C_(uv)为正,C_(vu)为负。

关键词：阶梯形丁坝明渠紊流脉动流速空间相关性

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阶梯形丁坝区明槽紊流横向涡的统计特征

水利水运工程学报 2023年第5期 45-55页

作者：钟亮谭义波葛晨曦重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室重庆400074

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物。基于PIV(Particle Image Velocimetry)水槽试验,研究了阶梯形丁坝区明槽紊流横向涡密度、面积、形状参数、旋转强度的沿程及沿槽宽分布规律。结果表明:(1)涡密度沿水深方向的分布在坝顶及槽底附近均... 详细信息

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物。基于PIV(Particle Image Velocimetry)水槽试验,研究了阶梯形丁坝区明槽紊流横向涡密度、面积、形状参数、旋转强度的沿程及沿槽宽分布规律。结果表明:(1)涡密度沿水深方向的分布在坝顶及槽底附近均出现波动峰值,沿流向距丁坝越远,涡密度波动越小;(2)丁坝附近同一位置的顺向涡总面积大于逆向涡,垂线上涡面积峰值出现在丁坝顶部并随距水槽中轴距离的减小而减小;(3)丁坝附近横向涡多呈椭圆形,丁坝区槽底处的逆向涡和水面处的顺向涡均呈扁平状;(4)丁坝附近同一位置的逆向涡旋转强度远大于顺向涡,丁坝上游至丁坝段,横向涡旋转强度沿程呈骤减趋势,丁坝段至下游,横向涡旋转强度沿程逐渐趋稳。研究结果可为揭示阶梯形丁坝的局部冲刷机制提供参考。

关键词：阶梯形丁坝明槽紊流横向涡统计特征

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非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性

长江科学院院报 2022年第4期39卷 91-98页

作者：钟亮姜利姜彤李国际陈镜元重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074 重庆交通大学河海学院重庆400074

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物,天然河道中的水流多为非恒定流,非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丁坝结构设计和水毁防护等具有重要意义。采用自回归马尔柯夫模型,将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲2种情况,基... 详细信息

阶梯形丁坝是常见的航道整治建筑物,天然河道中的水流多为非恒定流,非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丁坝结构设计和水毁防护等具有重要意义。采用自回归马尔柯夫模型,将天然来流过程概化为波谷起冲和波峰起冲2种情况,基于平面二维水流泥沙数学模型,探讨非恒定流作用下的阶梯形丁坝局部冲刷特性。结果表明:①不同流量过程下,坝后主流区和回流区的流速均随上游来流量的变化而变化,波谷起冲时主流区随冲刷历时的增加逐渐分为2个区域,而波峰起冲时主流区在初期便被分为2个区域。②受主流区变化和冲坑后方淤积区的共同影响,波谷起冲时的冲坑下游边界向下游凸起后回缩,波峰起冲时的冲坑边界向坑内收缩后扩散到下游,坝头最大冲深较恒定流条件可增加25.5%~54.3%。③如采用一级丁坝长度L_(d1)表征冲坑尺度,6 h冲刷历时中,波谷起冲时冲坑长度、宽度最大值分别可达9.2L_(d1)和2L_(d1),波峰起冲时则分别可达11.3L_(d1)和2.1L_(d1)。

关键词：阶梯形丁坝非恒定流自回归马尔柯夫模型局部冲刷冲坑尺度

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淹没阶梯形丁坝水流结构PIV试验研究

水运工程 2022年第1期 100-111页

作者：王世鹏钟亮廖尚超邓晓龙重庆交通大学河海学院重庆400074 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,但其水流结构研究仍不充分。基于PIV室内水槽试验,探讨阶梯形丁坝区无量纲纵向时均流速u^(+)、紊动强度T^(+)_(u)、雷诺应力R^(+)和紊动能E^(+)的分布规律。结果表明:丁坝水流在纵剖面上可划分为顺流区... 详细信息

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,但其水流结构研究仍不充分。基于PIV室内水槽试验,探讨阶梯形丁坝区无量纲纵向时均流速u^(+)、紊动强度T^(+)_(u)、雷诺应力R^(+)和紊动能E^(+)的分布规律。结果表明:丁坝水流在纵剖面上可划分为顺流区、回流区和过渡区,丁坝内侧至一级丁坝坝头各剖面u^(+)高速区位于坝顶上部,低速区和回流区位于坝顶下部;丁坝外侧各剖面u^(+)沿程变化表现为先增大后减小。受水流翻越坝顶影响,丁坝上游各垂线的T^(+)_(u)随y^(+)变化明显,而下游各垂线的T^(+)_(u)变化相对平缓。R^(+)高值区位于坝顶附近且呈带状,流量较小时,R^(+)沿y^(+)的垂线变化相对平缓,坝顶附近R^(+)分布曲线呈“S”形,流量增大后丁坝上游R^(+)变化加剧。E^(+)高值区由坝顶向水槽底部和水面扩散呈三角状,且E^(+)随流量的增加而增大。

关键词：阶梯形丁坝明槽紊流时均流速紊动强度雷诺应力紊动能

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阶梯形丁坝局部冲刷特性数值模拟

水运工程 2021年第8期 93-100,189页

作者：李国际钟亮姜彤姜利重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室重庆400074

阶梯形丁坝局部冲刷特性研究对河道整治工程方案设计具有重要意义。应用平面二维水流泥沙数学模型,研究来流条件及丁坝尺度对阶梯形丁坝局部冲刷的影响。结果表明:在清水恒定流作用下,冲刷达到平衡所需历时主要受来流条件影响,而受丁坝... 详细信息

阶梯形丁坝局部冲刷特性研究对河道整治工程方案设计具有重要意义。应用平面二维水流泥沙数学模型,研究来流条件及丁坝尺度对阶梯形丁坝局部冲刷的影响。结果表明:在清水恒定流作用下,冲刷达到平衡所需历时主要受来流条件影响,而受丁坝几何尺度的影响相对较小;随着弗劳德数Fr的增大,冲刷坑面积A、最大冲深hs总体均呈线性增加,Fr≤0.565时平均冲深h随Fr增长较慢,Fr> 0.565时h随Fr增长相对较快;一级丁坝高度、二级丁坝长度对局部冲坑形态及冲深发展的影响具有一定的等效性;hs与h均随一级丁坝相对高度ψ的增加而增大,当ψ> 0.7时其增幅趋于平缓。

关键词：阶梯形丁坝冲刷过程冲坑形态数值模拟

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阶梯形丁坝下游回流规律分析

水利水运工程学报 2017年第5期 9-17页

作者：钟亮孙建云刘珺洁周鑫靖重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心重庆400074 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室重庆400074 重庆市信息通信咨询设计院有限公司重庆400041

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,其回流规律与船舶通航、坝田淤积及堤岸稳定等系列问题密切相关,但目前研究很少。应用三维水流数学模型研究双级阶梯形丁坝几何尺度及来流条件对回流规律的影响,结果表明:(1)回流长度随一级丁坝相对长度... 详细信息

阶梯形丁坝在航道整治中应用广泛,其回流规律与船舶通航、坝田淤积及堤岸稳定等系列问题密切相关,但目前研究很少。应用三维水流数学模型研究双级阶梯形丁坝几何尺度及来流条件对回流规律的影响,结果表明:(1)回流长度随一级丁坝相对长度ε_1及高度ψ_1、二级丁坝相对长度ε_2均呈递增变化趋势,随弗劳德数Fr呈先增大后减小的变化趋势;(2)回流宽度随ε_1,ε_2和ψ_1变化相对明显,而随Fr变化总体较小;(3)回流正、负流区宽度比沿程变化曲线总体为上凸状,负流区宽度相对较大,在靠近丁坝部位可达正流区宽度的2.5倍;(4)回流曲线形态与ε_1,ε_2和ψ_1有关,ε_1和ψ_1主要影响回流曲线长度,ε_2影响回流曲线的整体形态;(5)回流流量一般小于来流量的10%,沿程分布曲线不对称,增流区回流流量变化相对缓慢,而减流区变化相对剧烈。

关键词：阶梯形丁坝回流尺度回流曲线回流流量

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阶梯形丁坝局部冲刷特性数值模拟研究

阶梯形丁坝局部冲刷特性数值模拟研究

作者：姜彤重庆交通大学

学位级别：硕士

阶梯形丁坝在航道整治工程中应用广泛,但关于其坝头局部冲刷特性的研究却少有涉及。开展阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丰富航道整治理论体系具有重要理论意义,可为航道整治工程设计优化提供技术支撑。本文采用数值模拟与理论分析相结... 详细信息

阶梯形丁坝在航道整治工程中应用广泛,但关于其坝头局部冲刷特性的研究却少有涉及。开展阶梯形丁坝局部冲刷特性研究,对丰富航道整治理论体系具有重要理论意义,可为航道整治工程设计优化提供技术支撑。本文采用数值模拟与理论分析相结合的方法,研究了冲坑尺度随单因素变化规律,探讨了非恒定流对冲坑尺度的影响规律,取得的主要研究成果如下:(1)清水恒定流时,相同条件下,非淹没的单式丁坝与阶梯形丁坝达到最大冲深所需冲刷历时相同,床面最终形态基本一致,但单式丁坝的回流区尺度、回流负流速、冲坑形态尺度均大于阶梯形丁坝。(2)坝头局部冲刷可分为3个阶段:初始段、发展段、平衡段。冲刷坑形态尺度在初始段发展迅速,完成了最大冲深的40%;在发展段,冲刷坑形态尺度增长速率减缓;当冲深随冲刷历时变化曲线逐渐坦化,床面冲刷基本达到平衡状态,即平衡段。总体上,最大冲深随时间基本呈对数型增长。(3)分析了弗劳德数Fr、一级丁坝高度H、二级丁坝长度L、床沙粒径d对局部冲刷坑形态尺度的影响规律;定义一级丁坝相对高度ψ=H/H,二级丁坝相对长度ε=L/B,一级丁坝坝顶被淹没的平面为阶梯层,阶梯层相对长度为阶梯层沿槽宽长度与L的比值;当ψ=0.13时,二级丁坝对水流泥沙运动影响占主导,与单式丁坝相比,其最大冲深减少了45.34%,除此之外,阶梯形丁坝使最大冲深的减少最多能达到10%左右。当阶梯形丁坝挡水面积相同,阶梯层相对长度越长,最大冲深越大;两级丁坝高度固定时,若阶梯层相对长度较长同时挡水面积较小,或阶梯层相对长度较短同时挡水面积较大时,阶梯形丁坝的最大冲深比单式丁坝高出约2%～8%。(4)以数值模拟计算成果为基础,经过双变量相关性分析,运用量纲分析方法以及优化组合,建立了恒定流条件下,适用于非淹没阶梯形丁坝的最大冲深计算公式。(5)采用马尔柯夫模型对天然河道来流过程进行随机模拟,将模拟流量过程概化为平均流量、冲刷历时、时段内总来水量与恒定流条件都相同的典型非恒定流过程,采用起始冲刷流量不同的2种典型概化过程作为数值模型的水流边界条件,即波谷起冲与波峰起冲流量过程。(6)非恒定流条件下,床面冲淤发展与冲刷历时有关,流量相同时流场分布具有差异性,且波谷起冲流量过程的差异性强于波峰起冲。(7)波谷起冲时,坝头的冲坑几何尺度呈线性增长;冲坑发展在洪峰来临前开始减缓,但最大冲深仍高速增长;冲坑最大宽度达到2L,长度达到9.19L。(8)波峰起冲时,冲坑迅速成形,最大冲深呈线性增长;由于受落水期流量逐步降低、坝后长条状淤积区以及冲坑边壁坍塌的影响,冲坑长度先增长后稳定再增长;在涨水期,冲坑面积呈线性增长,其长度增长速率逐渐减小。冲刷历时结束时,冲坑最大宽度达到2.1L,长度达到11.3L。(9)非恒定来流时的丁坝局部冲刷演变规律不同于恒定流,丁坝上游缓流区出现淤积,下游回流区负流速较大的地方出现冲刷,将床沙往逆水流方向推移导致回流区产生少量淤积。冲坑长度达到恒定流时的2～2.5倍,最大冲深增加了25.6%～54.41%。

关键词：阶梯形丁坝冲坑尺度数值模拟非恒定流

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阶梯形丁坝水流结构的PIV试验研究

阶梯形丁坝水流结构的PIV试验研究

作者：廖尚超重庆交通大学

学位级别：硕士

阶梯形丁坝在航道整治工程中已经广泛使用,但相关水力特性仅有少量研究,航道整治中相关方案设计与优化还缺乏理论指导,因此开展阶梯形丁坝水流结构的研究具有重要的理论和实际意义。本文基于PIV水槽试验结果,分析了淹没阶梯形丁坝与单... 详细信息

阶梯形丁坝在航道整治工程中已经广泛使用,但相关水力特性仅有少量研究,航道整治中相关方案设计与优化还缺乏理论指导,因此开展阶梯形丁坝水流结构的研究具有重要的理论和实际意义。本文基于PIV水槽试验结果,分析了淹没阶梯形丁坝与单式断面丁坝周围时均流速的差异性,探讨了丁坝尺度和来流条件对丁坝区水流紊动特性的影响规律,取得了以下成果:(1)在阶梯形丁坝内侧,流速较大的高速区位于坝顶以上靠近上游区域,纵向相对流速u沿流程逐渐增大,并在下游远离丁坝的区域趋于稳定,流量Q越大,上游的u越大,且u取得最大值的位置越靠近槽底。(2)沿槽宽方向,阶梯形丁坝区u从丁坝内侧到外侧逐渐增大,外侧u随流量Q的增大而增大,并在上游0.5～0.8倍一级坝长左右的区域取得最大值。(3)同一流量、总阻水面积相同的情况下,与单式断面丁坝相比,阶梯形丁坝内侧流速较小,可以避免内侧水流冲刷河岸,但阶梯形丁坝外侧流速也相对较小,这可能导致汛期淤沙冲刷不足,影响通航;一级坝头附近流速较大,在航道整治工程中应注意保护坝头,避免因坝头冲刷而造成水毁。(4)沿水深方向,阶梯形丁坝区上游u存在明显的分层现象。在丁坝内侧和一级坝头,近槽底和近水面区域的u较小,中间区u波动较大且在坝顶附近取得最大值;在丁坝外侧,近槽底和近水面区域的u较小,中间区的u比较稳定。(5)阶梯形丁坝区纵向相对紊动强度Tu大于垂向相对紊动强度Tu,Tu、Tu沿程分布规律相同,都呈在上游逐渐减小,在下游波动较小且比较稳定的趋势。(6)在阶梯形丁坝内侧和一级坝头处,雷诺应力相对值R的较大值区域均分布在上游靠近水面区域,且较大值区域从各剖面的坝顶向上游呈发散状分布,流量越大,该区域越往下倾斜。在阶梯形丁坝外侧,R的较大值区域分布在上游相对水深y=0.1附近和近水面区域,但相对来说近水面区域R更大。(7)阶梯形丁坝区紊动能相对值E沿流程逐渐减小,沿槽宽方向从丁坝内侧到外侧,E逐渐减小。上游紊动能相对值E随流量Q的增大而增大,但丁坝外侧增大的幅度小于丁坝内侧和一级坝头。(8)在阶梯形丁坝内侧和一级坝头,近槽底区域E较小且比较稳定,中间区E开始增大并在坝顶附近有较大值,近水面区E波动较大;在阶梯形丁坝外侧,近槽底和近水面区域E较大,中间区E比较稳定。

关键词：阶梯形丁坝 PIV试验流速分布紊动强度雷诺应力紊动能

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阶梯形丁坝区明槽紊流的相干结构研究

阶梯形丁坝区明槽紊流的相干结构研究

作者：葛晨曦重庆交通大学

学位级别：硕士

滩险整治是改善航道条件的重要手段,丁坝是最常见的整治建筑物之一。为使洪水期少淤,退水期早冲,需采用洪水和枯水整治相结合的手段,阶梯形丁坝应运而生。因阶梯形丁坝周围水流条件复杂,势必会产生相干结构,这对船舶通航、水生动、植物... 详细信息

滩险整治是改善航道条件的重要手段,丁坝是最常见的整治建筑物之一。为使洪水期少淤,退水期早冲,需采用洪水和枯水整治相结合的手段,阶梯形丁坝应运而生。因阶梯形丁坝周围水流条件复杂,势必会产生相干结构,这对船舶通航、水生动、植物生境均会造成影响。现有研究主要集中在单式丁坝,对阶梯形丁坝相干结构的探讨较少,因此开展阶梯形丁坝区明槽紊流相干结构研究具有重要意义。本文采用PIV水槽试验方法获得了瞬时流场数据,确定了阶梯形丁坝区横向涡的识别方法,分析了阶梯形丁坝区横向涡的表观特征,探讨了不同流量下阶梯形丁坝区横向涡特征参数的统计特征,比较了不同形式丁坝作用下横向涡的统计特征,研究结果如下:(1)单涡结构周围往往存在与其转向相同的伴随流场,多涡结构通常为“大涡套小涡”的嵌套形式,其中,大涡转向基本为1种,而小涡转向相同相异皆有可能,与来流特征和周围边界条件均有关。导致丁坝下游横向涡倾斜方向不同的主要原因是过坝水流特征和涡旋自身周围流场的差异性。(2)空间自相关结构云图测点周围基本呈椭圆状;丁坝下游的两个测点周围互相关结构均存在明显的正、负相关分区现象,各分区特征也会发生沿槽宽演变的过程。(3)在阶梯形丁坝作用下,较大流量会使涡密度减小。丁坝对上、下游顺向涡密度影响最大的位置并非对称分布,在上游离丁坝更近更小,在下游离丁坝更远更大。在离水槽边壁较近的区域,阶梯形丁坝均早于单式丁坝出现涡密度极大值点。(4)上游近坝区,阶梯形丁坝对顺向涡面积的干扰主要体现在与丁坝相交的区域;而在下游近坝区,距离丁坝一侧的槽壁越近所受影响越大,且在一、二级丁坝非重合区域涡面积所受影响最为显著。阶梯形丁坝相较于单式丁坝,能使丁坝外侧的顺向涡形状参数沿程变化趋近于丁坝内侧,保持涡旋形状的相对统一。(5)阶梯形丁坝对涡形状参数的影响沿槽宽方向具有分区性。在小流量下,阶梯形丁坝内侧横向涡更接近圆形,外侧更加扁平;在大流量下,差异不明显。(6)涡旋转强度总体呈指数型函数分布,沿程呈逐渐减小的趋势。单式丁坝中的旋转强度沿程变化整体较平滑,阶梯形丁坝的存在能减缓横向涡旋转强度的减小。沿程各处的逆向涡旋转强度约为顺向涡的5倍。

关键词：阶梯形丁坝 PIV试验横向涡统计特征