明渠非恒定流运动规律及推移质输沙特性的试验研究

论文题目: 明渠非恒定流运动规律及推移质输沙特性的试验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水利工程

作者: 刘春晶

导师: 王兴奎

关键词: 非恒定流,明渠流,推移质

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在天然河流中,水流几乎都是非恒定的,特别是在汛期,洪峰涨落频繁,河床的剧烈变化和滩岸溃决一般也是在洪水陡涨陡落的过程中发生的。非恒定流的运动特性及输沙规律的研究对于河流动力学的进展具有重要的理论意义,对水利工程规划和河道整治亦具有重要的实用价值。本文以试验为基础,系统研究了非恒定流的运动特性,取得了以下主要成果: 1 建立了非恒定流输沙的水槽实验系统,在非恒定流生成、水位流量控制和监测、流速和输沙率的测量方面均有新的进展。实验系统可以生成稳定可重复的明渠非恒定流过程,为明渠非恒定洪水波的运动规律、紊动特性及挟沙机理的试验研究提供了便利条件。2 通过水槽试验资料分析,论述比较了恒定均匀流摩阻流速u* 的各种研究方法,其取值将直接影响卡门常数κ、积分常数A 或B、尾流系数Π及悬浮指数Z 等参数。恒定流光滑床面和粗糙床面的摩阻流速与雷诺数的关系遵循统一的规律。少量推移质运动的床面阻力系数有减少的趋势。3 利用实测数据对比了各种单波处理方法及其与多波相位分段平均法之间的差异。单波法具有一定的随机性,而多波相位分段平均法则可以得到更可靠的统计参数。满足试验精度的多波采样时间大约为1000 s 。4 从试验资料的分析得到了明渠流洪水波沿程变形的表达式。初步揭示了洪水波沿程陡涨缓落的变化规律。从Saint-Venant 方程出发,经过简化,推导得出了非恒定流流量过程随水位涨落过程变化的关系,并利用实测资料对Saint-Venant方程组的各项进行了对比,当水流条件变化较为剧烈时,连续方程和运动方程均可能不满足。5 根据试验资料得出了流速～水深和流量～水深最大值出现时刻的相互关系的表达式。分析了明渠流流量特性曲线的绳套现象,其中绳套的相对大小受非恒定流参数Γ的影响。6 非恒定明渠流不同高程上的平均流速、紊动强度及雷诺应力随时间基本同步变化,定床及动床条件的流速分布仍可用对数公式拟合;上部流区的雷诺应力沿垂线基本为线性分布;紊动强度沿垂线分布的变化趋势与恒定流类似。7 除水深较小时段的近水面处,非恒定流各时段的纵向、垂向脉动流速的概率密度均接近正态分布;其中外部流区的纵向流速多为正偏,垂向流速则反之。8 对于低强度的恒定流和非恒定流输沙率,Einstein 公式较Meyer-Peter 公式具有更高的精度。非恒定流推移质输沙率与水流强度的变化并不同步,Φ与ψ之间不再是一一对应的关系;非恒定流的平均输沙率大于恒定流。

论文目录:

摘要

Abstract

目录

主要符号对照表

第一章 概述

1.1 前言

1.2 明渠恒定均匀流研究现状

1.2.1 明渠均匀流流速分布

1.2.2 明渠流切应力分布及紊动结构

1.2.3 粗糙度的影响

1.3 非恒定流研究现状

1.3.1 基本方程

1.3.2 封闭管道及边界层非恒定流研究

1.3.3 明渠非恒定流试验研究

1.4 非恒定推移质输沙率研究

1.5 本文的工作

第二章 试验设备及试验方法

2.1 非恒定流循环系统

2.1.1 试验水槽

2.1.2 供水系统

2.2 测量系统

2.2.1 激光流速仪

2.2.2 水位测量

2.2.3 流量测量

2.2.4 输沙率测量

2.3 试验过程及稳定性检验

2.3.1 试验过程

2.3.2 系统稳定性验证

小结

第三章 光滑床面恒定均匀流试验研究

3.1 试验水流条件

3.2 摩阻流速的确定

3.2.1 各种方法及计算结果

3.2.2 摩阻流速的进一步分析

3.3 流速分布

3.4 紊动强度

3.5 阻力系数

小结

第四章 非恒定流试验数据的统计分析

4.1 基本定义

4.2 单波的处理方法

4.2.1 移动平均法

4.2.2 滤波法

4.3 多波的处理法

4.3.1 相位平均法

4.3.2 相位分段平均法

4.4 单波和多波试验结果的对比

4.4.1 10 秒周期结果对比

4.4.2 30 秒周期结果对比

4.5 不同波数的对比

小结

第五章 非恒定洪水波特性研究

5.1 试验水流条件

5.2 各水力参数的不同步特性

5.2.1 洪水波的变形

5.2.2 平均流速、水深之间的相位变化

5.3 流量特性曲线的绳套现象

小结

第六章 非恒定流的流速分布

6.1 不同高程流速的相位关系

6.2 摩阻流速的计算方法

6.2.1 各种方法介绍

6.2.2 各种方法之间的结果对比

6.3 流速分布

小结

第七章 非恒定流的紊动特性

7.1 紊动特性随周期的变化特性

7.2 紊动强度及雷诺应力的垂线分布

7.3 脉动流速的概率密度分布

小结

第八章 恒定均匀流输沙试验研究

8.1 试验沙及水流条件

8.2 流速分布及理论床面初步分析

8.3 摩阻流速的确定

8.4 平均流速分布

8.5 紊动强度分布

8.6 推移质输沙率

小结

第九章 非恒定流输沙试验研究

9.1 试验水流条件

9.2 平均流速分布

9.2.1 不同高程平均流速变化过程

9.2.2 摩阻流速的计算

9.2.3 垂线流速分布

9.3 非恒定流推移质输沙率结果

9.3.1 平均输沙率

9.3.2 周期内输沙率变化

小结

结论

主要结论

进一步的研究展望

参考文献

个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文

发布时间: 2005-11-16

参考文献

• [1].长距离输水系统的非恒定流特性研究[D]. 万五一.天津大学2004
• [2].非恒定流作用下丁坝水毁试验研究[D]. 张秀芳.重庆交通大学2012
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• [4].长距离调水工程渠道输水控制数学模型研究及非恒定流仿真模拟系统[D]. 韩延成.天津大学2007
• [5].大型湖泊水库平面及垂向二维流场与水质数值模拟[D]. 冯民权.西安理工大学2003
• [6].梯级电站调峰对通航的影响及对策研究[D]. 胡兴娥.天津大学2007
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