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明渠沙纹演化及其湍流动力特性实验研究

许栋  
【摘要】:沙纹是明渠床面形态存在的最小尺度,也是缓流中推移质运动的集体表现形式,在河流阻力与输沙过程中扮演着重要角色;作为明渠湍流在可塑性床面上长时间作用留下的烙印,稳定的沙纹形态蕴含着局部复杂但宏观上又极其规则的水沙关系,而沙纹的形成与发展则是河流系统中水流和床面相互协调与平衡的结果。 本文在实验室水槽中,利用声学多普勒流速仪(ADV)和染色液流动显示装置,较为系统地测量了明渠水流在不同床面和不同扰动作用下的流动结构与流动特性。根据高频率湍流信号采样数据,从概率统计的角度对明渠湍流统计特征量进行了计算、比较与分析,包括脉动强度、雷诺应力、湍流动能、流速概率密度、频谱密度、偏斜因子和平坦因子等;另外利用相关分析和子波分析方法,计算并分析了湍流流速的自相关系数、积分尺度和多尺度分解的子波系数,对湍流拟序结构进行了探讨。 作为研究的重点,文中对沙纹床面附近的湍流结构进行细致分析,研究了迎水面上的湍流猝发等拟序现象,并利用定点摄影和地形测量对沙纹输沙及演化规律进行研究,对其进行了微观动力分析。另外,本文还研究了泥沙起动与湍流特性之间的关系、床面粗糙和形态性质对明渠湍流特性的以及不同形式扰动下床面稳定性的影响等规律。


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