黄土区坡面流三维流动特性及表面张力作用效果研究

批准号:
51869009
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
37.0 万元
负责人:
孙三祥
依托单位:
学科分类:
E0903.水力学与河流动力学
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
张云霞、周键、雷鹏帅、李乐卓、王文、邵振宇、王继梅、褚云晨
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中文摘要
坡面流水深很小,一定条件下呈滚波运动特征,表面张力作用显著。因观测手段限制,现有成果相关结论很不一致,坡面流流态、阻力、描述方法研究仍不完善,受到学术界长期关注。目前基于两相流理论研究坡面流含沙水流问题尚未开展,水沙两相坡面流内部结构及相关参数的高精度量测资料缺乏,数值模拟研究较少。.基于黄土地区降雨及土壤特点,针对不同粗糙度定床坡面,考虑雨强、下渗、含沙量的影响,采用人工模拟降雨、放水(清水、含沙水流)试验,利用PIV技术进行陡坡、缓坡坡面流的3D流动特性研究,同时采用欧拉多相流模型进行具有气水界面的坡面水沙两相流三维数值模拟。观测分析坡面流内部结构特征,研究坡面流流动参数时空分布特征,确定表面张力的大小以及对坡面流流态、紊动机制、流速分布、水流挟沙能力、阻力等特性的影响,研究滚波形成、消失的条件及机理,确定坡面流最佳数值模拟模型、离散方法、参数设置。完善坡面流基本理论和数值模拟方法。
英文摘要
The overland flow is shallow water, moving in roll waves in some condentions, markedly affected by capillary force. The results are inconsistent.,the study on flow states, resistance and description method of overland flow is still imperfect due to the limitations of detection methods and has been concerned about by the academics all the time. At present, the problem of sediment flow in slope is not carried out based on two-phase flow theory. The high-precision measuring instrument data to observe the internal structure and related flow parameters of water-sand two-phase flow are is lacking,the numerical simulation studies are fewer..Based on the feature of rain and soil in loess area, considering the influence of rainfall intensity, infiltration and sediment concentration, through the artificial simulation such as rainfall, dewatering test (clear water, sandy water) Under different roughness bed slope, the PIV(Particle Image Velocimetry) is used to study the 3D flow characteristics of steep hill and gentle slope,meanwhile, the 3D numerical simulation on water-sand two-phase flow was developed using multiphase (Euler) model of ANSYS. The inner structures of the overland flow and its physical features are observed and analyzed, the temporal and spatial distribution characteristics of overland flow parameters are studied, the capillary force value and influence to the characteristics of flow state, turbulence mechanism, velocity distribution, sediment load capacity and resistance are determined,the conditions and mechanism of roll forming and disappearance are studied,the best computation model, discrete method and parameter settings are confirmed for numerical simulation on overland flow. The basic theory and numerical simulation method of overland flow are improved.
针对目前坡面薄层水流阻力规律不统一,高精度测试资料短缺,表面张力的影响如何确定等问题,基于 PIV 技术,进行了清水一相流、低含沙水流变坡定床流动特性试验。根据试验结果,结合数值模拟及理论分析方法,分析了坡度、粗糙度、水深对坡面流水力特性的影响,进一步分析了降雨、下渗对坡面流流动特征参数的影响。.结果表明,光滑有机玻璃床面,水深大于1.0mm,表面张力可以忽略。加糙后,采用相对粗糙度△/h小于3判别是否考虑表面张力较为合理。水工模型试验要求最小水深大于1.5cm合理,但偏保守。.鉴于坡面薄层水流宽深比大,考虑边壁的影响,建议采用垂线平均流速代替断面面积流速。提出了反映表面张力作用的弗劳德及雷诺数修正表达式,确定急缓流、层紊流临界判别数和明渠流动相同。.表面张力影响坡面流特性的作用机理是表面波的形成;坡面流滚波形成、消失的外因是床面粗糙度及进口型式的改变,内因是动能大于势能,试验中流态多属于光滑区及过渡区,该流区滚波形成、消失条件为1˂Fr˂1.5。.补充完善了坡面流阻力统一规律,床面型态不发生变化条件下,考虑降雨影响的沿程阻力系数计算式与文献结果一致;.基于坡面流基本方程,提出了存在理论解(或近似解)的边界条件。数值模拟选用VOF两相流模型,相界面追踪采用耦合水平集-体积分数法CLSVOF),确定了离散方法及参数设置。.清水一相流,低含沙水流垂线平均流速为表面流速的0.9倍。.提出了降雨溅蚀过程中土壤界面存在水土质量交换的观点,分析得出了次降雨过程中溅蚀量与下渗量、土颗粒溅蚀速度与降雨平均终速的关系,单雨滴终速、单雨滴动能与溅蚀量的关系。.相关成果为统一明渠水流与坡面薄层水流阻力规律奠定了基础,为水工模型试验及实际工程中如何考虑表面张力的影响提供了依据,为溅蚀量的确定提供了一种新方法,也为进一步研究水土流失规律提供了基础数据。
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DOI:10.3969/j.issn.1001-4373.2022.06.014
发表时间:2022
期刊:兰州交通大学学报
影响因子:--
作者:牛梦飞;孙三祥;龚正威
通讯作者:龚正威
DOI:10.3389/feart.2021.739804
发表时间:2021-11
期刊:Frontiers in Earth Science
影响因子:2.9
作者:Sun Sanxiang;Zhang Yunxia;Lei Pengshui
通讯作者:Lei Pengshui
DOI:--
发表时间:2022
期刊:兰州交通大学学报
影响因子:--
作者:牛梦飞;孙三祥;龚正威
通讯作者:龚正威
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