彎道水流三維運動特性及推移質輸沙機理試驗研究

《彎道水流三維運動特性及推移質輸沙機理試驗研究》是依託清華大學，由李丹勛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：彎道水流三維運動特性及推移質輸沙機理試驗研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李丹勛
• 項目類別：面上項目

項目摘要

天然沖積河流普遍存在彎曲特徵,較之順直河段，彎道的水流特性與輸沙機理具有獨特的規律。本項目將在高精度、全透明、全調坡的彎道玻璃水槽中開展試驗，研究彎道水流的三維特性和推移質輸移規律。利用自主開發的PIV/PTV系統，測量三維瞬時速度，分析彎道水流的時均特性、紊動特性及相干結構，如三維時均流速場、紊動強度、機率密度、雷諾應力等沿彎道的分布及變化規律，脈動流速的時空相關、能譜密度分布，以及漩渦的形狀、方向、尺度、強度和產生頻率等。採用高解析度照相機拍攝分析床面泥沙運動的條帶結構，探討其與紊動猝發過程的關係。採用照相和圖像處理的方法研究彎道推移質運動的速度、厚度等參數，推求推移質輸沙率；用電子天平測量推移質輸沙的累積過程，得出實際推移質輸沙率。以自主研發的三維地形儀測量三維沙波的運動過程，研究沙波形態及與水流條件的耦合關係。研究推移質的運動路徑，揭示推移質異岸輸移機理及水沙最大值異位的成因。

結題摘要

天然沖積河流普遍存在彎曲特徵,較之順直河段，彎道的水流特性與輸沙機理具有獨特的規律。本項目建造了高精度、全透明、全調坡的彎道玻璃水槽，開發了水沙耦合測量系統，並開展系統的試驗研究，分析了彎道水流的特徵及輸沙規律，取得了五項重要的新認識。（1）為使彎道下直段能夠恢復至均勻流狀態，保證直段自身不對彎道內水流分布造成影響，下直段需要200R(水力半徑)甚至更長的距離；彎道段主流偏轉位置受槽寬B、彎道中心線半徑Ro和水深H的影響，存在明顯對數關係；主流在彎道段1/5位置附近由凸岸過渡至凹岸，水流變化劇烈，流速出現極大值點。（2）運動顆粒數量N和運動時長皆隨採樣時間間隔Δt呈線性增長，平均運動速度U隨Δt的增大而減小，而無量綱輸沙率Φ則不受Δt的影響。（3）若從較大的時間尺度觀察，推移質輸沙率隨時間變化過程可以大致分為三個階段；以較小的時間尺度觀察，輸沙率顯示的脈動變化規律非常複雜，其幅度和頻率隨時間的推移而發生變化，同時還與水流強度及床沙級配有密切關係，原始床沙組成和流量對於脈動特徵影響也較大。（4）粗化層二次破壞過程中推移質輸沙率發生突變，推移質級配中粗顆粒比例也同步增加；每增加一級流量，其完成粗化後床面級配要比上一級流量更粗，粗化程度加強。（5）推移質運動與水流大尺度結構關係密切，床面顆粒運動區域的條紋峰值間隔約為兩倍水深，與水流縱向渦模型完全相符。