课题基金 / 基金详情

三维沙波面上水沙运动特性试验研究

批准号:
52109084
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
苗蔚
依托单位:
学科分类:
水力学与河流动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
苗蔚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
沙波是河床阻力的重要组成部分,掌握了沙波运动规律,有助于解答水位流量关系以及推移质输沙率等河流动力学研究的核心问题,进而完善河流动力学的基本理论与治河的基本技术。因此,深入开展沙波面湍流结构与颗粒尺度的研究具有重要的理论及工程意义。本项目搭建水流-泥沙-床面的水槽耦合观测系统,基于自主研发的三维颗粒追踪系统及三维床面系统,同步测量水流结构、沙波面的颗粒运动以及沙波运动的时空演变规律。在此基础上,重点研究三维沙波形态对湍流结构的影响,沙波面的颗粒运动特征及与沙波输移的关系。揭示水沙作用下沙波形成与演变的机理,并初步建立沙波输移模型。研究成果可为研究沙波运动提供新的测量技术手段,为河道泥沙输移的研究课题提供理论支撑。
英文摘要
Sand wave is an important component of riverbed resistance. The law of sand wave movement can help to resolve the core problems of river dynamics research, such as relationship between water level and flow and the bedload transport rate. Then it can improve basic theory of river dynamics and the basic technology of river regulation. It is of great scientific and engineering significance to further study the flow structure and movement at grain-scale of sand wave based on experimental work. The project builds a flow–sediment–bedform coupling observation system in open channel. And we independently develop 3D particle tracking system and 3D bedform measuring system. It can synchronously measure the law of temporal and spatial evolution of flow structure, particle movement and sand wave movement. Based on these data, the project focuses on revealing the influence of 3D sand wave shape on turbulence structure, the characteristics of particle motion and the relationship between particle motion and sand wave transport. The results help to clarify the mechanism of formation and evolution of sand waves and establish the sand wave transport model. It can provide a new measuring technique and theoretical support for the study of sand wave movement and bed load transport.
沙波运动是泥沙运动力学中的核心问题,广泛存在于自然河流、潮汐海洋及其他天体表面,甚至在火星上也发现了类似的沙波现象。沙波的运动直接影响水流与泥沙的相互作用及床面演化,进而对河道航道安全、水底管道保护以及生态河流动力学的研究产生重要影响。为了深入探讨沙波运动的规律,本研究搭建了水流-泥沙-床面的水槽耦合观测系统,自主研发了水下颗粒追踪与三维床面系统,结合PIV流场测量技术进行了水-沙-床面同步测量,可测量湍流结构、床面颗粒运动及床面演变规律。基于该系统,结合神经网络与Kalman滤波技术,研发了水下颗粒追踪方法,有效解决了水流引起的颗粒动态模糊及颗粒遮挡问题,避免了短暂遮挡或气泡造成的颗粒轨迹断裂问题。通过该平台,开展了12组均匀沙输移实验,统计分析了湍流结构的含能尺度、运动颗粒数量、起动颗粒数量、颗粒速度、运动步长、运动时长等关键参数,为水流、泥沙与床面相互作用提供了量化依据。分析结果表明,水流与泥沙输移在不同尺度上存在关联。从水流宏观尺度来看,随着水流强度增强,颗粒运动数量对输沙率的影响大于颗粒运动速度的影响;在水流微观尺度上,湍流脉动速度与Q2-Q4事件与颗粒运动密切相关。基于水流含能尺度的分析结果显示,影响泥沙输移的主要湍流尺度为20倍水深的大尺度结构。此外,床面形态对泥沙输移有显著影响,在沙脊床面形成时,沙槽部分的起动概率、颗粒速度和输沙率显著高于沙脊部分。同时补充开展了涪江流域的泥沙输移规律研究,结合实测水文数据,分析了涪江控制站及主要水文站的年际输沙量变化特征及突变年份,结合场次洪水分析揭示了涪江沙量的主要来源区域,为泥沙输移规律提供了重要补充。总体而言,本研究通过沙波运动与床面形态、湍流结构的相互作用研究,不仅为沙波床面演化提供了数据支持,还为水利工程和河流治理中的泥沙控制提供了理论依据,也为区域泥沙治理提供了新的视角。
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