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[博士论文] 毛鸿飞
港口、海岸及近海工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着对海洋资源的开发逐渐向深海海域发展,深海中工程结构物的水动力特性已成为海洋工程领域的热门问题。水平圆柱结构广泛应用于海洋工程中,准确的预测水平圆柱结构上的波浪力是安全性研究的重要课题。在大幅波浪作用下或强迫振荡下,水平圆柱结构上的流体作用力会受到粘性效应的影响。在对波浪力进行预测时,还需要考虑波浪的冲击作用。此外,此类问题还涉及到复杂的自由面问题。采用传统的势流理论对上述这些问题进行研究的准确性难以得到保障。因此,基于粘性流理论对水平圆柱结构上波浪力问题进行研究具有重要意义。基于上述背景,本文应用粘性流数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱上波浪力、非完全淹没水平圆柱上波浪力和淹没水平圆柱强迫振荡下受力问题开展了数值计算研究,揭示了粘性效应的机理,提出了波浪力以及冲击力的预测方法。
  首先,本文基于OpenFOAM开源平台,建立了粘性流数值波浪水槽。数值模型以Navier-Stokes方程作为基本控制方程对流体运动进行描述,采用Finite Volume Method(FVM)方法进行数值离散,Renormalization-group(RNG)模型进行湍流封闭,Volume of Fluid(VOF)方法进行自由面捕捉,为了进行长时间的计算,水槽结合了有效的消波方法。对数值方法的局限性问题,在自由面区域内加入数值修正区,提高了模型的计算能力。
  其次,对数值模型进行了数值验证,将数值结果与前人发表的理论结果、实验数据以及数值计算结果进行对比,对粘性数值模型在对大波幅非线性波浪传播和结构物上流体作用力计算的准确性进行全面验证。
  再次,应用粘性流数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱上的波浪力开展了数值研究。通过与前人实验结果的对比,验证了数值模型对粘性效应下结构物上波浪力计算的准确性。通过粘性流流场和势流流场结果的对比,定量地解释了基于势流理论求得波浪力偏大的原因。此外,涡旋脱落对波浪力的影响也得到了关注。考虑到前人研究的局限性,本文对不同波浪频率下和不同模型尺度下水平圆柱上的波浪力开展了研究。这些研究对实际工程问题的计算和分析具有重要的指导意义。
  应用数值波浪水槽模型对非完全淹没水平圆柱上的波浪力开展了数值研究。本文对入射波幅值、频率和圆柱的垂向位置对波浪力的影响开展了研究。当流体速度达到一定程度时,波浪冲击力不可忽视,本文对圆柱受到的波浪冲击力进行了研究。本文提出了改进的Morison方程,该方程不仅考虑了惯性力、速度力和浮力,而且考虑了冲击力。进而,对水动力系数,即惯性力、速度力和冲击力系数进行了拟合和分析。此后,将基于Morison方程计算得到的波浪力与数值波浪力进行了对比,为工程设计提供参考。
  最后,应用数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱强迫振荡下受力进行了数值模拟研究,通过将粘性流结果与势流结果的对比,说明粘性效应对流体作用力的作用。通过对圆柱周围流场的分析,揭示了粘性效应的机理。采用受力分析方法说明了圆柱附近涡旋对圆柱所受压力的影响,进而解释了基于粘性流理论与势流理论得到流体作用力之间差别的本质原因。
[硕士论文] 朱宇泽
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:水生植物是河流的重要组成部分,可以改善河流生态,保护河床稳定,但也改变了水流结构。
  本文在实验室水槽中采用有机玻璃棒模拟刚性植物,用粒子图像流速仪(PIV)测量流速,研究含刚性植物明渠的水流结构。主要研究时均流速、紊动强度、雷诺应力三项基本流动特性在不同植物密度,不同淹没度情况下的变化规律。主要研究内容如下:
  (1)其他条件相同,植物密度不同时,上述三项流动特性发生变化。密度越大,植物阻水能力越强,植物内部流速越小,但在植物上部,流速逐渐增大,并在距离水面一段距离处超过密度较小时的流速;紊动强度最大值出现在植物顶端位置附近,植物密度大时的紊动强度自一半植物高度处至水面范围内大于密度小时情况,槽底至植物高度一半处表现不明显;雷诺应力在一半植物高度处至水面也随着植物密度的增大而增大,在槽底至一半植物高度处雷诺应力接近于0。
  (2)其他条件相同,淹没度不同时,三项流动特性也随之变化。淹没度越小,距离槽底相同高度处流速越大;紊动强度最大值随着淹没度的减小而增大,但在植物上部紊动强度逐渐减小至小于淹没度较大时的情况;雷诺应力的变化规律和紊动强度类似。植物为非淹没状态时,植物间流速增大,紊动强度也明显大于无植物时的情况,雷诺应力很小,与无植物情况比较变化不大。
  (3)对比不同植物密度、不同淹没度、不同断面平均流速情况下的植物上部流速分布形态,得出植物密度、淹没度、断面平均流速对植物上部流速分布形态的影响规律。选择了几种有代表性的工况与三种流速分布经验公式作对比,发现单一的对数分布并不能完全满足植物上部流速分布的表达,只对于流速分布没有明显转折的情况吻合较好,对于流速分布有明显转折的情况,从转折处至水面公式计算值和实测值相差较大,分布形态有明显不同。
  本文研究成果对含植物明渠水流结构研究具有一定的参考意义。
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:泵站在灌溉、排涝、调水、城市供水、污水排放,保护人民生命财产安全,促进经济发展,改善人民生活,建设生态环境等方面起着关键作用。梯级泵站系统是一套用渠道串联起来的泵站梯级,每一梯级泵站由多台泵机组并联组成,这些泵机组的作用是将水从低处提到高处,并通过渠道输送到下一梯级泵站。
  实际泵站-渠道系统中的流动状态通常随时间而变化,因此,流动是瞬变流动。由于瞬变流动参数随空间和时间变化,瞬变流分析较恒定流复杂得多。大型梯级泵站系统通常采用渠道输水,当泵机组开机或停机时,渠道中水流的稳态条件受到干扰,于是产生了瞬变流动,流动参数在较长时间内一直在变化;此外,瞬变流的水位与泵站运行工况相互影响。因此,情况十分复杂。
  本文研究了两级泵站梯形河道内的瞬变流动和泵站运行工况。构建了数学模型模拟一维非稳定渐变的明渠水流,模型除了考虑河道的水力损失外,还考虑了河道的土壤渗漏和水面蒸发水量损失。提出的模型应用于位于中国江苏的淮安-淮阴实际泵站系统。主要工作和取得的成果如下:
  (1)为了求解梯级泵站系统河道瞬变流动,分析比较了Saint-Venant方程的数种求解方法,构建了考虑河道水力损失、土壤渗漏和水面蒸发水量损失、泵站边界条件的梯级泵站河道瞬变流计算模型,提出了基于Lax diffusive scheme的模型数值求解方法。
  (2)将提出的数学模型和求解方法应用于淮安-淮阴梯级泵站系统。在泵站水泵机组起动后,河道内立即产生瞬变流动。为了保证模型计算结果的稳定性和精度,进行了计算步长试验,确定最优计算距离步长为△x=1m,最优计算时间步长为△t=0.01s。计算和讨论了河道沿程水面线、断面流量和水量损失的变化规律及其影响因素。结果表明,河道水面线变化时间较长,直至几乎稳定,因此,泵站运行工况也长时间变化;泵站运行模式一定,对河道不同的初始水位情况,河道水面线和流速均趋向于相同的结果。河道瞬变流达到几乎稳定状态所需的时间取决于河道初始水位,初始水位越接近最后稳定水位,所需的稳定时间就越短。将计算结果与实测数据进行比较,验证了计算结果的准确性。
  (3)同时起动上、下两级泵站机组时,河道中产生两组水波—正向高波和反向低波,分析了水波的产生与传播机理。在水泵机组起动后的最早2~4小时内,河道沿程各断面的水位和流量随时间变化剧烈,如果此时在河道断面测量泵站流量,将会造成很大的误差。随着时间的推移,河道断面流量变化越来越小,直至上游泵站流量等于下游泵站流量与河道流量损失之和,达到平衡状态。
  (4)研究了泵站不同运行模式(机组运行台数和叶片角度)下泵机组同时起动时两级泵站间河道的瞬态流动和泵站运行工况。计算和讨论了不同时刻河道水面线、断面流量和损失流量。结果表明,当通过改变运行泵机组数量和叶片角度而改变泵站流量时,河道水面线升高或降低,直至趋于稳定状态,其所需的稳定时间与泵站流量大小有关。泵站流量越大,河道瞬变流的稳定时间越短。
  (5)研究了不同河道长度的两级泵站间河道内的瞬态流动和泵站运行工况。计算和讨论了不同时刻沿河道的水面高程、断面流量和流量损失。结果表明,河道长度影响河道水面线升高或降低达到稳定状态所需的时间,河道越短,水流稳定时间越短。
  (6)研究了机组因故障不能起动或造成停机的异常情况下两级泵站河道的瞬态流动和泵站运行工况,建立了数学模型并应用于梯级泵站系统异常情况的求解。针对第一级泵站、或第二级泵站、或一台泵机组不能起动,其中一级泵站或一台泵机组稳定运行时突然故障停机的异常情况,计算和讨论了河道水面高程,断面流量和流量损失。结果表明,泵站故障异常情况下的水面线升高或降低,趋于新的稳定状态,对泵站运行、河道流量、泵机组和河堤的安全都有影响。因此,泵站管理、维护和抢修应根据其瞬态特性进行科学合理安排。特别是对于允许的抢修时间不能满足要求时,必须停掉正常运行泵站的全部或部分机组,或将运行水泵的叶片角度调到最小,以保证有足够的时间抢修泵站。
  本文对大型梯级泵站系统河道不同的初始水位、泵站不同运行模式、不同河道长度和几种故障异常情况下的河道瞬变流动、泵站运行工况及其应用进行了研究,对河道水面线、流量和流量损失进行了计算和讨论。成果对大型梯级泵站的设计、运行和管理具有重要的理论价值及应用意义。
[硕士论文] 刘敦伟
水利工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:长期以来明渠水力半径分割线的研究,一直是水力学研究的重要课题之一,但大部分学者都是针对光滑或均质粗糙明渠的水力半径分割线进行研究,对非均质粗糙明渠水力半径分割线进行研究的学者相对较少。本文从现代流体力学的基本理论出发,推导了一种形式简单的非均质粗糙矩形明渠分割线方程。并利用此方程,得到了粗糙明渠边界平均切应力的公式、明渠平均流速和阻力系数的公式以及明渠综合糙率的公式,并与有关实测资料进行比较分析。
  1.本文从形式简单的指数流速分布公式出发,假定存在一个水力半径分割线将明渠过流断面划分为三部分,且在与壁面垂直方向上的流速服从指数流速分布规律,推导出了明渠水力半径分割线方程,并与Einstein及杨树清方法进行了比较。
  2.本文在推得的水力半径分割线的基础上,利用积分的方法推出非均质粗糙明渠侧壁和床面的边界切应力公式以及平均切应力公式,并与收集到的有关试验数据进行验证分析,结果表明本文推得的非均质粗糙明渠切应力公式,与杨树清推得的公式相比,更为准确可靠。
  3.本文在推得的水力半径分割线的基础上,根据指数流分布公式,推导出了非均质粗糙明渠平均流速及阻力系数公式。并对宽浅明渠情况下平均流速公式进行了验证分析,结果表明,推求的平均流速公式与试验资料的实测值能够较好的吻合。
  4.本文在推求的水力半径分割线方程的基础上,根据流量守恒定律和曼宁公式,推得非均质粗糙明渠综合糙率公式,并与收集到的试验资料进行验证分析。结果表明本文公式与实测资料较为吻合,可在实际工程和水槽实验中推广使用。
[硕士论文] 孙建云
水利工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:水流结构对河工模型试验的精度影响重大,床面加糙是河工模型试验中为保证阻力相似而采取的普遍方法,有间距加糙是最常用的床面加糙方式之一,因此开展有间距加糙床面水流运动相关问题研究具有重要的理论和实际意义。本文基于PIV测量试验结果,对光滑床面以及4种加糙床面的流速结构、紊动特性和加糙阻力进行研究,取得了以下成果:
  (1)有间距加糙床面明渠水流水力特性可分为颗粒区和粒间区,两个区域的各项水流参数差异较大。摩阻流速u*和理论床面位置的沿程分布均具有明显的分区特性:颗粒区u*普遍较小,而粒间区u*普遍较大;颗粒区的理论床面位置在颗粒顶部以下(0.15~0.35)d范围内变化,粒间区的理论床面位置在颗粒底部所在的光滑床面。
  (2)基于PIV水槽试验数据,研究了不同粗糙条件下纵向时均流速U的分布规律。结果显示时均流速流场呈现明显的条带状分布,时均流速分布与颗粒间距、颗粒直径以及排列方式关系较大。颗粒间距离越小,时均流速U越小;颗粒直径增大,时均流速减小;梅花形加糙床面的时均流速比矩形加糙床面的时均流速小,因此梅花形加糙对流速的影响较大。颗粒上游区域时均流速垂线分布呈现比较明显的对数分布,中下游区域基本呈现先稳定后增大的趋势。
  (3)光滑床面和粗糙床面近壁区纵向及横向脉动流速u、v均呈现清晰的高、低速条带结构。随着水深的增大,各类紊流事件的平均概率总体均呈先增大后减小的变化趋势;加糙颗粒对紊流事件概率的影响主要集中在颗粒顶部以下区域。床面加糙后,垂向脉动流速概率密度分布变化较小,而纵向脉动流速的概率密度分布变化较大,分布曲线变得更为尖陡,流速脉动范围更为集中。
  (4)阐述了紊动强度、雷诺应力、紊动能在不同水流条件和粗糙条件下的规律变化。结果显示纵向紊动强度呈现条带状分布,距离槽底越近,纵向紊动强度越大,在颗粒顶部上方1d范围内达到最大,然后逐渐减小;颗粒直径越大,纵向紊动强度越小。雷诺应力呈现先增大后减小的趋势,在颗粒顶部位置达到最大值;颗粒直径越大,雷诺应力越小。紊动能沿水深的变化规律与纵向紊动强度基本一致,最大值出现在颗粒顶部以下1d范围内;床面加糙颗粒直径越大,紊动能越小。相同流量条件下矩形加糙床面的紊动强度、雷诺应力和紊动能均大于梅花形床面。
  (5)相对当量粗糙度ks0与颗粒大小、间距、排列方式及水流条件等因素有关,当流量相同时,颗粒直径越大或排列间距越小,ks0平均值越大;床面相同时,流量越大,ks0平均值越小;在颗粒大小、间距及流量相同时,梅花形排列的ks0平均值要大于矩形。
  (6)颗粒区和粒间区的阻力系数f随ks0的变化均服从幂函数公式。当h/d较小、床面接近大尺度粗糙时,f随ks0的递增变化明显,随着h/d的增大,f随ks0的递增变化逐渐趋缓;在ks0相同的情况下,h/d越小,f增幅愈明显;在h/d和ks0相同的情况下,颗粒区的水流阻力系数要大于粒间区。
[硕士论文] 张翔宇
水利工程;港口海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:三峡水库的建设对我国社会经济持续发展起着重要作用,而三峡水库运行以后入库泥沙呈现细化趋势,中值粒径在001mm左右。而细颗粒泥沙以往被归于冲泻质且不参与造床作用,且一旦落淤极难清理,对库区航道正常功能的发挥及维护带来极大的压力。因此,寻求细颗粒泥沙起动的临界条件及可用于三峡库区判断冲淤的水流条件判定指标,对于解决三峡库区细颗粒泥沙淤积问题以及理论研究都具有重大意义。
  本文采用二维水流数学模型与理论分析相结合的方法进行,对三峡库区黄花城河段冲淤变化进行了初步研究,主要成果包括:
  (1)通过分析黄花城河段实测2000-2012年的大断面水沙资料以及泥沙冲淤情况,可知三峡库区呈现出“多水少沙”的来水来沙特点且入库泥沙逐渐细化,库区年内总体冲淤规律为汛期和枯水期淤积、消落期冲刷。冲刷区域和淤积区域表现为间断性的交替分布,且依旧处于冲刷、淤积动态交替的变化中。
  (2)根据实测的2012年7-10月的黄花城水道连续时间序列地形数据,使用地形法绘制河段冲淤变化图,明确冲刷淤积分别对应的位置及冲淤厚度,并选取特征断面。同时建立二维水流数学模型,经现场试验数据验证后得到特征断面每个点冲淤厚度分别对应的水流条件。
  (3)根据各断面冲淤厚度建立水流条件冲淤梯度,寻找到各特征断面临界水深,并探究水深对于细颗粒泥沙起动的影响。
  (4)验证现有的挟沙力公式是否满足黄花城水道实际冲淤变化规律,率定黄花城水道判定指标公式参数,得到可适用于黄花城水道、能够代表冲淤变化的水沙条件判定指标f(v,h)=S-0.2×(v3/gRω)076。
[博士论文] 张鹏
水利工程;水沙动力学 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:明渠湍流结构的研究已有悠久历史。因受水面比降、河床比降、河宽、尾水高度等多因素影响,对于明渠非均匀流的湍流结构认识还不充分,且明渠均匀流的湍流结构研究成果无法直接应用于非均匀流。而自然界大多数河流或渠道为非均匀流,涉及到非均匀流工程实践又迫切需要加深对明渠非均匀流湍流结构认识。因此,开展明渠非均匀流湍流结构研究,丰富了湍流基础理论,同时,对于相关工程领域有重要的实践意义。本文研究的主要目的在于加深对明渠非均匀流湍流结构的认识,采用高频率粒子成像测速系统(PIV)结合28m高精度变坡水槽,探索非均匀流的紊动统计特性以及湍流结构运动特征,提出非均匀流湍流结构运动模型。得到以下三个方面的主要成果:
  (1)在非均匀流紊动统计特性方面:结合理论分析与水槽试验结果表明:随减速流发展,摩阻流速沿程减小、雷诺应力在水深方向上的分布呈凸型曲线分布以及垂向速度紊动强度逐渐增加;加速流中摩阻流速沿程增加、雷诺应力在水深方向上的分布呈凹型曲线分布。非均匀流内区的垂线速度分布仍符合对数律。其中,卡门常数与非均匀流水深变化率(dH/dx)呈非线性关系,积分常数与非均匀流水深变化率呈线性关系,C=-336.02dH/dx+5.07。
  (2)在非均匀流湍流结构尺度特征方面:结合速度梯度张量与模式匹配法优点,运用区域生长技术,提出了改进的横向涡识别分析方法。基于功率谱、等速区域以及改进的横向涡识别分析方法,对非均匀流超大尺度结构、大尺度结构以及横向涡结构的尺度分布进行分析,结果表明:超大尺度结构、大尺度结构以及横向结构的尺度随非均匀系数增大而减小,横向涡结构普遍表现为椭圆形状,长短轴比值在1.4~1.7范围内;其涡密度与长短轴比值随非均匀系数增加而增大。
  (3)在非均匀流湍流结构瞬态运动特征及演变模型方面:采用基于互相关算法形成的大尺度结构追踪技术以及本征正交分解方法,对非均匀流超大尺度结构、大尺度结构以及横向涡结构瞬态运动进行分析,结果表明:超大尺度结构主要含能结构在随非均匀系数增大而减小,非均匀流大尺度高低速流团各自集中出现以及相互掺混出现,集群纵向尺度随非均匀系数增大而减小,横向涡结构由大尺度高低速流团相互运动而形成。提出了非均匀流湍流结构演变模型:以水面区下扫流为湍流结构运动主要驱动力;形成超大尺度流向涡结构、大尺度高低速结构;大尺度高低速结构相互运动产生横向涡、发夹涡包以及水面泡漩结构。
[硕士论文] 杜思材
水利工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:金沙江向家坝水电站和岷江梯级枢纽运行下泄的非恒定流在宜宾汇合后,产生新的非恒定流过程,水位日变幅达到3.5m。两江非恒定流过程给下游航道建设和维护带来了诸多不利的影响,且长江上游航运将长期面临这些问题。因此,有必要对长江上游高等级航道起点的宜宾进行水位变幅的预测,而开展两江非恒定流特性及耦合规律的研究是解决上述问题的先决条件。
  本文首先对金沙江向家坝、岷江高场和宜宾近4年的流量和水位过程进行了总结,得到各自的非恒定流特征;在此基础上,利用数学模型,分析了两江非恒定流沿程传播和汇合中比降、流速、波形等变化,获得了两江非恒定流的水流变化、波与波之间耦合的规律和波流相关关系。得到了如下结论:
  (1)2013~2016年,向家坝水电站日调节时间由1700个小时逐年增加到6000个小时,日调节流量为1660~4380m3/s,流量日变幅为0~1500m/s,水位日变幅主要在0~2m;岷江流量无明显规律,主要在600~1600m3/s,流量日变幅集中为150~800m/s,水位日变幅主要为0.16~1m;受两江影响,宜宾水位处于无规律变化中,2015年和2016年平均水位日变幅分别为0.3m、0.65m。
  (2)两江非恒定流沿程传播中,金沙江流量和水位由“方波”形逐渐变成“正弦波”形,而岷江基本不变;两江各种非恒定流波高沿程有升有降,在同一位置处变化趋势一致,但总体趋势减小;两江波高分布变化较大,金沙江1.8m和岷江1m以上的波高逐渐消失;两江非恒定流周期变化不大,金沙江相位基本不变,岷江向前推移2~3小时;金沙江非恒定流波速4.17~5.28m/s,岷江波速1.94~3.61m/s。
  (3)两江流动要素在汇合过程中均逐渐变化:金沙江比降先增大后减小,至河口上游4~6km达到峰值,2km附近基本为0,而岷江比降持续减小;越接近汇合口,两江流速越小。受汇流比、流量大小以及所处相位的影响,两江水流表现出不同特性。
  (4)宜宾非恒定流波是金沙江、岷江水流和波形耦合的综合结果,其中两江波-波之间要比波-流之间的影响大。两江非恒定流耦合过程中,波形变化主要发生在河口上游6km~2km,波高较小的支流沿程变化较大,甚至波形会翻转。金沙江、岷江中波高较大的支流对宜宾波形的影响较大,且两江波高差值越大,宜宾波形与该支流越接近,而波速、波长始终与岷江接近程度更高。当一条支流波高远大于另外一条支流时,两江上涨段、波峰、下降段、波谷之间叠加结果与前者保持一致;当两江波高相差不大时,不同相位叠加就会产生不同的结果。
[硕士论文] 李贤玉
水利工程;水工结构工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:双层河道为一种新型河道,上层明渠构建亲水空间,下层箱涵排洪排涝。本文基于研究双层河道的一般工作特性及设计机理,开展双层河道土石混合体的物理特性和渗透性的室内试验;本文以巴南区龙洲湾B区双层河道为依托,结合室内试验指标,运用FLAC3D建立双层河道数值模型;分析了双层河道的渗流场特性,得出如下结论:
  (1)通过查阅文献和现有的双层河道工程,归纳总结了双层河道特点及适用条件,其回填土亦可作为水体的涵养体,实现以丰补欠和雨洪资源化。
  (2)基于室内试验指标及查阅相关文献,水土特征曲线选用Fredlund数学模型,渗透系数函数选用VG数学模型,利用SPAW软件分析得出水土特征曲线及渗透系数函数,并进行拟合分析。
  (3)双层河道的主渗流方向为垂直河道流向的方向。上层明渠未设防渗土工膜的双层河道,渗流量、最大正压值、最大负压值、下层涵洞排水孔排水量均与计算水深呈正相关。模型的浸润面及模型溢出点逐渐抬高,模型的浸润面的形态随着水深发生变化,从上下浸润面演变为左右浸润面。上层明渠未防渗土工膜的双层河道,这些指标与计算水深无明显相关性。
  (4)下层涵洞增设排水孔后,模型渗流量增大;越靠近排水孔增大,水力坡降值越大,孔隙水压力减小,对孔隙水压力具有消散作用。排水孔使浸润面降低,变化趋势更加的陡峭,模型溢出点降低。
  (5)上层明渠设防渗土工膜的双层河道,最大水力坡降值、最大负孔隙水压力增大;正孔隙水压力有效的减小;浸润面明显降低,地下水位与下层涵洞侧墙排水孔齐。
  (6)上层明渠中的水深上升速度增大,其渗流量、最大流速及最大正孔隙水压力先减小,后保持不变;最大负孔隙水压力保持不变;最大力坡降减小。上层明渠中的水深下降速度增大,其渗流量、最大流速及最大正孔隙水压力先增大,后保持不变;最大负孔隙水压力保持不变;对于上层明渠未设防渗的双层河道,最大力坡降减小,对于上层明渠设防渗的双层河道,最大力坡降保持不变。
  (7)上层明渠水位变幅时,其渗流量、最大正孔隙水压力及最大负孔隙水压力介于其水位变幅区间的静水位计算值,水位变幅的速度越大,其渗流特性越与其初始水位静水位渗流特性相似。
[硕士论文] 刘珺洁
水利工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:加糙床面明渠水流结构是河工模型试验研究的重要内容,但目前相关研究仍较薄弱,也较缺乏基于全场瞬时流速试验资料的加糙床面明渠水流特性分析。为揭示床面粗糙对明渠水流结构的定量影响规律,采用不同直径的圆形玻璃珠制作了3种加糙后水流流速和紊动特性的变化特征,取得了以下主要研究成果:
  (1)确定了密排加糙理论床面位置,光滑床面的纵向平均流速大于粗糙床面的纵向平均流速,且加糙粒径越大,纵向平均流速越小,垂向流速也存在相同规律;纵向流速沿相对水深垂线分布为对数分布。
  (2)床面加糙会改变近壁脉动流速u、v的频率分布和组织结构,随着粗糙雷诺数Re*的增加,u变化范围逐渐减小;而v呈现相反的变化趋势;光滑床面近壁区呈现出清晰的高、低速条带结构,加糙后条带结构逐渐变得不规则甚至完全消失。
  (3)床面加糙对垂向紊动强度的影响总体大于纵向,加糙后纵向和垂向紊动强度相对值在内区呈现不同的变化规律,流量相同时,粗糙雷诺数Re*越大,纵向紊动强度越小,而垂向紊动强度越大;床面粗糙对内区水流有密排加糙床面,基于光滑床面和密排加糙床面明渠紊流PIV流场测试资料,探讨了抑制纵向紊动和加强垂向紊动的双重作用,而对外区水流有加强纵、垂双向紊动的作用。
  (4)无量纲雷诺应力、涡粘性系数和混掺长度随水深的增大均呈现先增大后减小的规律,加糙后内、外区的雷诺应力绝对值均增大,内区增幅尤为明显,雷诺应力增大的原因在于水流质点混掺强度和频次均增大。
  (5)不同工况紊动能相对值在内区差异明显,随着水深比η的增大,紊动能差异逐渐较小,在水面附近趋于一致;加糙后内区紊动能绝对值总体减小,而外区紊动能绝对值有所增大。
  (6)Q2、Q4事件是紊流产生和维持的关键过程,加糙后Q2、Q4紊流事件概率增大,高速流体清扫作用和低速流体喷射作用加剧,质点动量交换和能量传递增强,第2、4象限的雷诺应力和紊动能增大,增加了水流能耗,是水流阻力增大的原因。
[硕士论文] 薛飞龙
水利工程;港口、海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:金沙江、岷江水电枢纽调峰发电引起非恒定流下泄,致使叙泸段河道流量和水位相较于天然情况具有变化快、变幅大的特点,给航道通航、管理维护带来新的困难。本文采用实测资料分析和非恒定流数学模型作为研究手段,针对叙泸段河道非恒定流传播特性及其对航道要素的影响展开研究,包括非恒定流波高衰减、传播速度、流量和水位变化及与恒定流条件时的差异等,讨论河道不同平面形态对非恒定流传播影响,研究日调节非恒定流对航道尺度、流速和比降等水力要素的影响。取得主要结论如下:
  (1)宜宾常见非恒定流波高为0.8~1.5m,自水位波峰起向下传播至观音背历时约12~14h,波高衰减约为宜宾初始波高的1/2;非恒定流流量基值越大时,波的衰减坦化效果越不明显;沿程最低水位仅受流量基值影响,而与流量峰值大小无关;随传播距离增加,沿程水位最大日变幅整体呈减小趋势;
  (2)典型非恒定流传播周期约26h,波长约217.4km,平均传播速度为8.4km/h,且半个波长内波速沿程减小。非恒定流条件下沿程流量变幅大小仅与初始流量波幅以及周期有关,而与初始流量峰值、基值绝对大小无关。周期越短,衰减速率越快,衰减幅度越大。随着传播距离增加,流量变幅衰减趋势减缓,半个波长后衰减为初始流量变幅的54.2%~64.5%,水位波峰沿程下降、波谷沿程抬升,变化幅度逐步减小,但总的周期保持不变;
  (3)相较于恒定流条件,自宜宾流量波峰起沿程流量逐步减小,自波谷起沿程流量逐步增加,随着距离的增加,沿程流量变幅缩小,向平均值靠拢;水位变化与流量变化规律相似,非恒定流与恒定流时观音背水位差达2m左右;
  (4)顺直河道自上而下非恒定流波高逐步减小,波高坦化率逐渐增大,波的衰减速度加快。放宽型河道非恒定流波高快速下降,促进波的衰减坦化;束窄型河道水位沿程下降、波高衰减速率沿程减小,抑制波形坦化。在弯曲河道非恒定流波高变化与具体滩性及弯曲半径有关;
  (5)流量上涨水面比降跟峰增加,流量下降比降随谷减小;非恒定流产生的附加比降最大值出现上涨或下降段期间。流速与流量成正比,同一流量涨水阶段流速大于降水相应流速,沿程流速分布还与其断面形态有关。非恒定流作用产生附加比降时同时存在附加流速,通常上涨段其值为正,下降段其值为负。
[硕士论文] 郭慧杰
流体力学 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:坡面流水深很小,受地表自然条件、降雨扰动的影响,其水力特性复杂,已有试验结论不大相同。坡面流水力特性的研究长期受到学术界和工程界关注,本文拟对受单雨滴影响的坡面流水力特性进行采用模型试验与数值模拟,为确定数值模拟模型、离散方法,进一步水力特性奠定一定基础。
  采用VOF计算模型对雨滴和坡面流进行自由表面追踪,结合标准紊流模型模拟了水、气两相流在雨滴降落过程中变化和落到坡面流中和坡面流各水力学特性参数的变化规律。主要研究内容有:(1)不同雨滴、降雨高度条件下,单雨滴落速、体积的变化,对水体流速的影响,水层厚度对打击力的影响。(2)基于室内定床坡面流放水和降雨试验,分析不同水深、不同坡度及不同床面粗糙度坡面流水力学特性参数(流速、雷诺数、傅汝德数和阻力系数)的变化规律;(3)进行放水条件下定床试验坡面流流速数值模拟,分析雷诺数、傅汝德数和阻力系数,与试验结果比较;(4)基于定床坡面流力学特性参数变化试验结果验证数值模拟结果,确定临界雷诺数。
  根据模拟与试验结果得出下列结论:
  (1)相同水层厚度下,终速越大,打击力越大,水层厚度的增大,打击力减小;随高度的增大,雨滴入水直径变小;在相同高度的条件下,随着雨滴直径的增大,雨滴入水直径增大。
  (2)在相同坡度下,随着粗糙度的增大,平均流速骤减后缓慢减小,最后达到平稳,雷诺数随着粗糙度的增大,骤减后缓慢增加,最后达到平稳;相同粗糙度情况下,随着坡度的增大平均流速增大;不同坡度情况下,雷诺数与坡度呈正比;同床面同流量条件下、随着坡度的增大,傅汝德数呈增加趋势,而阻力系数与坡度亦呈正势关系;相同坡度,不同粗糙度,傅汝德数随着阻力系数的增大而减小。
  (3)试验测得下临界雷诺数的值约为400。
  (4)不同降雨强度、坡度15°时,随着降雨强度的增大出现两种流态;雷诺数和傅汝德数随降雨量的增大呈增大趋势,阻力系数呈减小趋势。单宽流量相同时,修正系数随降雨量的增大呈先增大后减小趋势;不同降雨量时,流量与傅汝德数呈现递增趋势。
[硕士论文] 韩健健
物理海洋学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:本文建立了一个既适应于单向流(如水道),也适应于双向流(如河口)的深度积分水沙床耦合动力学数学模型,应用于典型的强潮河口和多级分汊水道,研究了它们的动力地貌过程,具体包括三部分内容:1)水沙床耦合数学模型的建立;2)模型对喇叭形强潮河口沙坎形成与演变的应用研究;3)模型对三级分汊,四港汇流的东流水道滩槽演变的应用研究。水沙耦合数学模型采用充分考虑水沙-地形耦合作用的深度积分(平面二维)控制方程组,包括了水流、泥沙和盐度的连续性方程、水流的动量方程和床面变形方程,利用非结构三角形网格离散计算区域,在网格单元上应用有限体积法求解控制方程,采用能够自动捕捉激波和间断的HLLC近似黎曼算子估算网格单元之间的数值界面通量,采用Slope flux method方法估算底坡源项。上述技术的应用使得模型满足well-balanced特性,能够很好地识别干湿界面。经过大量的理想和实验算例验证,从定量和定性两方面验证了模型的准确性和可靠性。为提高模型计算效率,采用了Open MP并行技术和局部时间步长算法。以典型强潮钱塘江河口为背景,本文概化了一个喇叭形河口,上游给定径流过程,外海边界给定M2分潮,考虑粘性沙侵蚀沉积机理,研究了河口内沙坎的形成与演变过程。结果表明,在径流和潮汐的相互作用下,河口内形成了最大浑浊带,在最大浑浊带处发生强烈淤积,两侧发生冲刷,从而形成了河口沙坎,其位置和规模与钱塘江实测沙坎相当。沙坎形成后,沙坎的存在增大了河口向内传播潮波的潮差。对径流作用,外海来沙和冲刷系数三个关键性因素的敏感性分析表明,径流强度对沙坎的位置和大小影响巨大,外海来沙和冲刷系数主要影响沙坎的大小,对位置影响不大。以长江下游多级分汊水道——东流水道的滩槽冲淤演变为对象,本文研究了不同来水来沙对多级分汊水道的滩槽冲淤的影响,定性上重现了2010年特殊年份来水来沙对东流水道滩槽冲淤的影响。对关键参数的敏感性分析表明,整体的滩槽的糙率分布对水道冲淤分布影响不明显,局部的滩槽糙率调整对水工建筑物周围滩槽的冲淤影响较大;水流挟沙力公式的选择和参数的选取定性上不影响滩槽冲淤趋势,定量上对结果影响较大。
[硕士论文] 吴媛媛
水利工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:河岸上的崩滑体滑动后侵入航道中,直接改变河床的形状,造成航道尺度不足甚至堵塞航道,这对于河道的行洪和航道的通航不利。因此有必要研究崩滑体在不同型式河道中的堆积特点,预测其对河道地形和通航条件的影响情况,为后期航道整治提供水下堆积体堆积特征的认识。本文应用理论分析和数值模拟手段对崩滑体在河道中的堆积情况进行研究,研究了崩滑体规模和河道型式对崩滑堆积体的形状和结构的影响,进而探讨了崩滑体堆积形态对航道尺度、流态的影响,主要结论如下:
  (1)将研究区河段概化为V型顺直河段,V型弯曲河段,U型顺直河段和U型弯曲河段四种河道型式。经过分析得出影响崩滑体堆积的因素主要有崩滑体的重心高程、体积大小、滑面坡度、物质组成和摩擦系数等。
  (2)对于U型和V型河道,U河岸坡度小于V型河岸的坡度,计算表明崩滑体在V型河道中的运动时间小于U型河道,崩滑体在河道中的运动时间受河岸坡度和河床宽度影响。当河岸坡度低于50°时运动时间主要受坡度影响,当坡度大于50°受运动时间河床宽度影响较大。当河岸坡度和河床宽度一定时可以用来判断崩滑体在河岸上的运动时间。
  (3)崩滑体在河岸上的堆积长度,随着坡度增加而呈现先增加后减小的趋势,即当坡度从20°增加到35°堆积长度增加幅度较快,当坡度超过35°时堆积长度随坡度增加的趋势变缓,在坡度达到50°后堆积长度随坡度增加呈现小幅度的减小。这是因为当坡度较小时,坡脚对崩滑体的约束较小,崩滑体初始加速度随坡度增大而较大,因而可以运动较长距离;当坡度增大到一定值时,坡脚的约束较大,河床宽度有限,导致崩滑体在河床上运动距离较小,堆积长度减小。这可以用来预测在河岸坡度已知的情况下崩滑体在河道中的成灾范围。
  (4)不同体积的崩滑体在河道中的堆积长度、堆积宽度和堆积高度随着崩滑体规模增大而增大,但是当体积大于8×104m3时,堆积长度、宽度和高度的增加趋势变慢,这主要是堆积体造成局部流速增大,水流冲刷导致大部分土石颗粒被水流带走。这可以用来判断不同规模的崩滑体在航道中堆积趋势,预测其对航道通航的影响程度。
  (5)崩滑体体积在百万立方米级别以下时,堆积参数对于研究区域河段的航道尺度没有明显的影响,但是对于航道的水流流场影响较大,使得堆积坝顶部最大流速达67m/s,上游壅水范围为200m~600m。对于弯曲河段,横向流速最大可达07m/s,局部横向比降最大可达8%,纵向比降局部可达13%,这对于船舶的驾驶安全造成极大的威胁。
[硕士论文] 李林
水利工程;港口、海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:长江上游干支流航道崩滑灾害多发,航运安全受到严重威胁。本文从涌浪、水流特性、航道尺度三方面讨论崩滑灾害体对航道的影响。在巫山江段选取覆盖了小、中、大、巨型13个典型滑体,采用理论分析数值模拟等方法对崩滑灾害体入江后,从涌浪、水流特性的改变、航道尺度三方面对航道的影响进行分析。主要结论如下:
  1.滑坡涌浪对航道的影响
  通过13个滑坡体的涌浪高度、传播、爬高计算,涌浪高度最大为50.90m,最小为4.20m,大概确定巫山境内滑坡激起的涌浪高度的范围为4.20m~50.90m,对过往船只产生巨大影响,严重时甚至导致船舶倾覆。涌浪最远传播距离为25km,最小传播距离为5km,再根据船舶航行的极限波高,求得船舶航行限制距离,确定了涌浪威胁区域。根据涌浪的传播,计算出涌浪在崩滑灾害发生处爬高最大达到88.15m,爬高影响区域最大可达到24km,此处的爬高仍有2.46m,建议尽可能避免在存在有滑坡体附近建立水工建筑物,在威胁区域内沿程的水工建筑物,有考虑涌浪威胁的必要。
  2.崩滑灾害体对水流特性的改变
  (1)由于崩滑灾害体的存在,水流会有壅高现象。在崩滑堆积体上游区域,崩滑堆积体一岸水位高于对岸;在崩滑堆积体下游区域,崩滑堆积体一岸水位低于对岸。崩滑堆积体规模越大时,此现象越明显。
  (2)崩滑堆积体上游区由于壅水的作用,水流流速较小;在水流越过崩滑堆积体时由于水流下跌作用,此时流速最大,然后在崩滑堆积体下游区流速逐渐趋缓,但此时水流流速仍比上游流速大。
  (3)崩滑堆积体淹没程度较大的情况水流形态较为平稳;淹没程度较小的情况下,水流形态较为复杂,在崩滑堆积体下游区存在着回流区,同时还伴随着旋涡,不利于船舶通行,航道部门应当限制通航。
  (4)崩滑堆积体淹没程度较大的情况,水流流速变化小,且流速小于3m/s,可以安全通航;淹没程度较小的情况,崩滑堆积体水下游主流区流流速变化较大,流速超过3m/s,超过一般船舶安全通航最高允许流速,为安全考虑,此时航道部门应当限制通航。
  (5)在淹没程度非常小的情况,由于崩滑堆积体的挡水作用非常明显,会导致上下游水位落差非常大,船舶无法上、下行,这种情况下,航道部门应当断航。
  3.崩滑灾害体侵入航道对航道尺度的影响
  (1)通过计算,再结合水流特性的变化,巫山段崩滑堆积体侵入长江后,堆积体由于粒径过大,大部分粒径大于起动粒径18.74mm,因此大部分将残存在航道。
  (2)在145m水位,3/4规模堵江情况下,剧烈改变了航道尺度,导致航道无法通行以致断航;其他情况对航道尺度改变有限。
[硕士论文] 王磊
水利工程;港口、海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:长江上游河段为典型的山区河流,其特性是边界条件复杂、弯曲河段众多、弯道水流条件差。船舶在弯曲河段内航行时,受诸多因素作用做不规则的曲线运动。在弯曲航道中航行的船舶,受弯道环流的影响和平面形态的制约,较顺直航道中安全航行更加困难。本文通过对长江上游典型弯曲河段的实测航迹线资料进行统计分析,运用三维水流船舶耦合运动模型,分析了弯曲河段水力特性及其对船舶受力和运动的影响,得到了山区弯曲河道形态特征和水流条件对弯道有效航宽的影响方式。本文取得的主要成果如下:
  (1)统计了长江上游典型弯曲河段形态特征和船舶不同时间点测得的航迹线特征,得出长江上游典型弯曲河段形态特征,弯曲半径在560m~1470m之间,弯曲角范围在55°~145°之间,为概化模型水槽的建立提供依据。
  (2)通过三维水流数值模拟,研究了弯曲河段水流结构特性,分析了不同形态弯曲河段内不同流速、水深等参数对其水面超高和表面流场的影响。弯曲河道内水流结构的变化为船舶受力分析提供了依据。
  (3)通过水流船舶耦合运动数学模型,研究了弯曲河道弯曲半径、水流流速、水深等参数变化对船舶受力特征的影响,分析了不同条件下船舶在弯道内所受横向力和偏航矩等船舶航行参数的变化特征。
  (4)通过对不同条件下船舶航行状态参数分析,讨论了弯道弯曲半径、水深和流速条件的变化对船舶上行最大漂角和漂距的影响,进而建立弯道有效航宽与弯道形态特征参数的关系。
[硕士论文] 曾施雨
水利工程;港口、海岸及近海工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:水下炸礁是航道整治工程中常用的施工方式。传统的水下爆破作业产生的巨大冲击波及有害的化学气体会造成水下生态环境的破坏,同时对鱼类的生存活动带来威胁。因此,研发一种环保清礁技术对于未来内河航运的绿色生态发展具有重要意义。
  本文提出一种将磨料水射流技术运用于水下切割礁石的新理念。采取理论分析与数值模拟相结合的方法,对淹没条件下磨料水射流喷嘴内外的流场分布特性进行了系统研究,总结得出如下几点主要研究成果:
  (1)本文分别建立了淹没条件下的纯水射流和磨料水射流的二维数学模型。通过对比分析得到,磨料水射流与纯水射流的流场分布特征大体相似,区别在于因为固相磨料与液相水的比重差异,导致了液固两相介质在整个射流演变发展的各个阶段中出现了不同程度的速度差。
  (2)针对锥直型喷嘴的收敛角角度、出口直径大小以及圆柱段长度三个重要结构参数,模拟计算了不同喷嘴结构尺寸情况下的淹没磨料水射流流场。通过对比分析喷嘴内外磨料水射流中轴线沿程位置以及水平截面处液固两相速度的具体变化,逐步优化了喷嘴结构尺寸。
  (3)模拟计算不同磨料密度、体积浓度以及粒径大小条件下的淹没磨料水射流流场,对比分析喷嘴外磨料水射流中轴线沿程位置以及水平截面处液固两相速度的具体变化。结果表明,相比于磨料粒径而言,磨料密度与体积浓度的改变对射流的影响作用更为明显。
  (4)模拟计算不同淹没水深情况下的磨料水射流流场,具体分析了环境围压对于射流中液固两相介质沿轴向和径向方向上速度分量的变化。结果表明,天然河流中的低围压环境不会对高压磨料水射流的演变发展造成明显干扰。
  (5)模拟计算淹没动水环境条件下的磨料水射流流场,具体分析了水流流速大小对于射流中液固两相介质沿轴向和径向方向上速度分量的变化。结果表明,水流的冲击作用会导致射流方向发生偏移,其中射流初始段受到的影响较小。
  (6)模拟计算不同靶距情况下的磨料水射流冲击流场,对比分析射流中液固两相的速度变化规律以及动压分布特性,最终确定了最优射流切割靶距范围为1.5~2.0cm间。
[硕士论文] Emmanuel Oduro Amoako
地理信息工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:Flood Disasters has become one of the most widely circulated disasters around the globe.However,flood management has come under severe scrutiny especially within the African Sub-regionto provide for a lasting solution to the menace that the flood cause.The Accra Metropolitan Area in Ghana(AMA)waschosento be the study area to analyse and monitor flood situation in the region.Highly and advanced Earth Observation System(EOS)tools were used to analyse the situation in the area of study.The tools inRemote Sensing to capture dataonfloodsare numerous and thesemay operate in the visible,thermal and microwave range of the electromagnetic spectrum.This literature aims at analyzing,and monitoring floods in the Greater Accra Region of Ghana usingRemote sensing tools.However,theLandsatTMwould be employed to collect the available data whilst the ENVI softwareandArcGISwould be the generated software for the data processing and analysis.The techniques employedin the research are useful for flood management and risk mapping analysis.A multi Criteria Analysis is used in assessing the flood Risk based on the image from the Landsat Thematic Mapper(TM).Flood types and common concepts in flood management are precisely explained in this literature.
  This project is also toimproveupon existing works,showandauthenticateanaccurate information system for flood forecasting,planning and management using remote sensing data.Assess the vulnerability and physical vulnerabilitythat are subjected tofloods,and using above results to conduct a flood risk analysis of the study area.
[硕士论文] 冯淑琪
建筑与土木工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:黄河是世界上含沙量最大、平均浊度最高的河流,其泥沙根据存在状态的不同,可分为沉积性泥沙(底泥)和悬浮态泥沙(悬浊物质)。黄河泥沙有巨大的比表面积,它们与排入河流水体中的有机污染物在接触面上会发生复杂的界面效应;其粗糙多孔的表面存在着多种活性物质,增强了泥沙对水体污染物的吸附降解作用。因此黄河泥沙成为污染物在河流水体中的扩散、迁移和转化的主要载体,从而影响河流流经区域的生态环境。研究黄河泥沙的吸附降解机制对黄河水环境生态评判有重要意义。
  本文以黄河兰州段泥沙为研究对象,从分析其物化特征出发,研究了其与水体浊度的关系;运用传统的动力学实验方法和等温平衡实验方法,探讨了黄河泥沙吸附CODmn的规律和影响因素,求出了能更好的模拟黄河泥沙对CODmn吸附行为的模型,计算出有关热力学状态函数,分析了吸附机理和吸附能力。通过吸附动力学和热力学方法探究了黄河泥沙对CODmn的吸附和降解能力大小,比较了沉积性泥沙(底泥)和悬浮态泥沙(悬浊物质)的吸附、降解能力差异;利用平板计数法探讨了黄河中微生物在底泥、悬浊物质与水体中的分布特征;利用响应面法研究混凝、过滤、微絮凝等方法对不同时期黄河浊度水(夏季、冬季)的最优处理效果及影响因素。得到如下结论:
  (1)黄河泥沙不仅易产生较大的浊度,而且导致了水体中总溶解性固体含量较高。黄河泥沙中含有较高的CODmn、总氮和总铁,尤其是细菌总数严重超标,说明黄河水体受有机物污染比较严重,同时丰富的有机物质和营养物质为细菌提供了良好的生存环境。
  (2)水土流失是黄河浊度的直接来源,不同季节下黄河沿岸的水土流失,造成了黄河浊度的巨大变化。随着泥沙含量、季节、时间、水流紊动程度的不同,黄河浊度会显示出不同的变化,实验表明,水体浊度随着泥沙浓度、搅拌时间、搅拌强度的增大而相应的增加,随着静沉时间的增加而减少,说明由于黄河上游落差大、流速高,剧烈的紊动条件是产生高浊度的另一个原因;黄河泥沙的沉降性能非常显著,处理时难度较小,因为泥沙主要以矿物质为主。
  (3)黄河泥沙对有机物的吸附迁移作用是水体自净作用的主要方式。黄河泥沙吸附水中CODmn的影响因素主要为泥沙浓度、温度和转速。采用BBD响应面法预测黄河上游污染最大的进水CODmn浓度为7mg/L条件下黄河泥沙吸附CODmn的最优效果为:泥沙投加量为2.6g/L、转速为204r/min、温度为25℃,此时,CODmn的最大去除率可达38.83%,单位泥沙对CODmn的最大吸附量为1.09mg/g。
  (4)黄河底泥对CODmn的吸附规律结果表明:在25℃时,随着CODmn的初始浓度的升高吸附量增加,随反应的进行,吸附速率逐渐减弱,直至平衡。当初始CODmn浓度范围为4-8.4mg/L时,将黄河底泥与长江底泥吸附能力进行对比,黄河底泥对CODmn的单位平均吸附量为1.61mg/g,长江底泥平均为1.37mg/g,说明黄河底泥对CODmn的吸附能力优于长江底泥;对比黄河沉积性泥沙(底泥)与悬浮态泥沙(悬浊物质)的吸附规律,当初始(CODmn)浓度范围在4-8.4mg/L时,黄河底泥和黄河悬浊物质达到吸附平衡状态所需时间分别为60h和24h,它们的单位吸附量分别为1.648mg/g和1.61mg/g,说明黄河悬浊物质吸附能力高于底泥。用准二级动力学模型能更好得描述黄河底泥和悬浊物质的吸附CODmn的特征行为,相关系数R2能达到0.9以上。
  (5)黄河沉积性泥沙(底泥)和悬浮态泥沙(悬浊物质)对CODmn的吸附行为更符合Langmuir等温吸附模型,说明该过程属于单分子层吸附;黄河底泥在吸附CODmn的过程中,吸附平均自由能(E)小于8,表明其吸附过程主要是物理吸附;黄河底泥在吸附CODmn的过程中,吸附自由能变△Gθ小于0,说明此吸附过程是自发进行的,且自发程度高于长江底泥;△Hθ小于0,表明此吸附是一个放热过程;△Sθ大于0,说明整个吸附过程中体系的混乱度是增加的。
  (6)于不同初始CODmn浓度微污染水中吸附饱和后的黄河泥沙置于清水中解吸时:吸附量越大,解吸量也越大,随反应的进行,解吸速率逐渐降低,约48h后解吸平衡,且黄河泥沙解吸比例略低于长江泥沙,说明黄河泥沙比长江泥沙更具有吸附性,这是由于黄土具有的较大的粘性所致;准二级反应动力学对黄河泥沙解吸CODmn行为的拟合效果更好,相关系数R2可达0.99以上。
  (7)黄河泥沙表面附着着大量的微生物,对CODmn的吸附降解起到了促进作用,是水体自净作用的主要方式之一,黄河悬浊物质对CODmn的吸附降解能力优于黄河底泥。对比黄河沉积性泥沙(底泥)和悬浮态泥沙(悬浊物质)的吸附、降解规律,当初始(CODmn)浓度范围为4-9mg/L时,黄河底泥的动力学拟合准二级方程平衡吸附值为1.930mg/g,准一级方程平衡吸附值为1.863mg/g,黄河悬浊物质的准二级方程平衡吸附值为2.446mg/g,准一级方程平衡吸附值为2.090mg/g,说明黄河泥沙用动力学准二级方程拟合的平衡吸附值略高于准一级拟合结果,准二级方程的拟合效果略优于准一级。
  (8)黄河底泥吸附、降解(CODmn)用准一级方程拟合的平衡吸附值较吸附作用下增加了16%,黄河悬浊物质吸附、降解作用较吸附作用使CODmn的去除率提高了26.8%,且吸附、降解作用达到吸附平衡时间较单纯吸附作用缩短1/4,说明黄河泥沙对CODmn的降解作用也很明显,但降解作用小于吸附作用。
  (9)从冬季黄河泥沙中的微生物组成看出,黄河泥沙中主要为三大微生物类群:细菌数量最多(85.56%),放线菌次之,真菌最少,细菌是降解(CODmn)的主体。考察微生物数量在黄河底泥、悬浊物质中的分布情况:同体积(每毫升)底泥与水体中,黄河底泥的细菌含量高于黄河水中悬浊物质的细菌含量;同干重底泥与悬浊物质中黄河底泥的细菌含量远低于悬浊物质。说明等量干重的黄河悬浊物质较河床表层0-5cm的黄河底泥更利于微生物附着,但冬季黄河水体中浊度较低,同体积空间下悬浊物质干量少,底泥因密度大而为微生物附着提供了更多的场所。
  (10)低温低浊水是黄河水处理的难题。采用响应面法对混凝-沉淀-过滤法对黄河夏季常温水与冬季低温低浊水的处理效果进行优化,结果表明,混凝—沉淀出水后经砂滤处理效果优于膜滤,夏季黄河水经混凝法出水后再过滤的处理效果优于低温低浊水两倍以上;微絮凝法(混凝-过滤)是一种将混凝出水立即注入滤柱过滤的强化过滤技术,利用响应面法优化它对黄河冬季低温低浊水中浊度、CODmn、氨氮去除率的最佳处理效果,结果表明,较于混凝。沉淀-过滤处理技术,浊度、高锰酸盐指数、氨氮去除率分别增加0.45、1.3、1.8倍。
[硕士论文] 刘兴
建筑与土木工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着我国城市建设的快速发展,城市土地开发方式的转变致使城市内涝灾害问题不断发生,“海绵城市”建设理念成为当今社会城市建设发展的热点。为从源头上解决城市内涝问题,控制雨水径流,就必须充分发挥天然土层的渗蓄功能。
  本文基于降雨条件下的土层渗流机制,在充分研究多孔介质饱和-非饱和渗流理论的基础上,对均质土体在不同降雨条件、土壤条件下的渗流特性进行分析,并结合地表径流产流理论,建立地表径流模型,研究相同条件下的地表产流情况,得出地表径流产流规律。利用研究成果分析临沂大学片区在不同降雨条件下的地表径流情况,根据海绵城市建设标准,对片区进行划片分析,采用LID技术措施,提出海绵城市建设方案。建设方案的实施对地表径流控制效果显著,对类似工程建设具有一定的指导意义。通过研究得到主要结论有:
  (1)不同降雨强度条件下,单位时间降雨强度与入渗深度成正相关线形关系。相同条件下,地表径流峰值流量与径流系数均不断增大,且随降雨强度的增大土壤的渗蓄作用逐渐减弱。
  (2)在降雨持续时长在120min以内时,入渗深度量不断增大,且随着时间增长,入渗深度增长幅度逐渐降低。径流系数在120min以内呈不断增大趋势,随时间增长随后呈下降趋势,土体对雨水的吸纳、渗蓄作用随着降雨时间的延长渗蓄效果更加明显。
  (3)根据不同土体饱和渗透系数下土体含水率随深度变化情况可知,土体饱和渗透系数对雨水的入渗深度影响明显,饱和渗透系数较小时,土体上部含水率较大,雨水更难以入渗至深部土体。饱和渗透系数越大,土体中水的入渗深度越深,地表径流系数与径流峰值流量均呈直线下降趋势。
  (4)在以临沂大学为工程背景的海绵城市建设过程中,通过分析研究工程中的海绵城市建设标准,提出针对性的建设方案,应用合理的LID技术措施进行布置,分析不同降雨强度条件下临沂大学的地表径流控制情况。研究表明,在降雨重现期为0.5a的情况下,研究区域综合降雨控制率为84.73%,达到海绵城市建设标准。同时,地表总径流量与径流峰值在不同降雨强度条件下均大幅减小。研究表明海绵城市建设方案的削峰减流作用效果显著。
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