【摘要】：明渠湍流結(jié)構(gòu)的研究已有悠久歷史。因受水面比降、河床比降、河寬、尾水高度等多因素影響,對于明渠非均勻流的湍流結(jié)構(gòu)認(rèn)識還不充分,且明渠均勻流的湍流結(jié)構(gòu)研究成果無法直接應(yīng)用于非均勻流。而自然界大多數(shù)河流或渠道為非均勻流,涉及到非均勻流工程實(shí)踐又迫切需要加深對明渠非均勻流湍流結(jié)構(gòu)認(rèn)識。因此,開展明渠非均勻流湍流結(jié)構(gòu)研究,豐富了湍流基礎(chǔ)理論,同時(shí),對于相關(guān)工程領(lǐng)域有重要的實(shí)踐意義。本文研究的主要目的在于加深對明渠非均勻流湍流結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,采用高頻率粒子成像測速系統(tǒng)(PIV)結(jié)合28m高精度變坡水槽,探索非均勻流的紊動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性以及湍流結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征,提出非均勻流湍流結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型。得到以下三個(gè)方面的主要成果:(1)在非均勻流紊動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性方面:結(jié)合理論分析與水槽試驗(yàn)結(jié)果表明:隨減速流發(fā)展,摩阻流速沿程減小、雷諾應(yīng)力在水深方向上的分布呈凸型曲線分布以及垂向速度紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸增加;加速流中摩阻流速沿程增加、雷諾應(yīng)力在水深方向上的分布呈凹型曲線分布。非均勻流內(nèi)區(qū)的垂線速度分布仍符合對數(shù)律。其中,卡門常數(shù)與非均勻流水深變化率(d H/dx)呈非線性關(guān)系,積分常數(shù)與非均勻流水深變化率呈線性關(guān)系,.(10)-(28).dxd HC07502336。(2)在非均勻流湍流結(jié)構(gòu)尺度特征方面:結(jié)合速度梯度張量與模式匹配法優(yōu)點(diǎn),運(yùn)用區(qū)域生長技術(shù),提出了改進(jìn)的橫向渦識別分析方法�；诠β首V、等速區(qū)域以及改進(jìn)的橫向渦識別分析方法,對非均勻流超大尺度結(jié)構(gòu)、大尺度結(jié)構(gòu)以及橫向渦結(jié)構(gòu)的尺度分布進(jìn)行分析,結(jié)果表明:超大尺度結(jié)構(gòu)、大尺度結(jié)構(gòu)以及橫向結(jié)構(gòu)的尺度隨非均勻系數(shù)增大而減小,橫向渦結(jié)構(gòu)普遍表現(xiàn)為橢圓形狀,長短軸比值在1.4~1.7范圍內(nèi);其渦密度與長短軸比值隨非均勻系數(shù)增加而增大。(3)在非均勻流湍流結(jié)構(gòu)瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)特征及演變模型方面:采用基于互相關(guān)算法形成的大尺度結(jié)構(gòu)追蹤技術(shù)以及本征正交分解方法,對非均勻流超大尺度結(jié)構(gòu)、大尺度結(jié)構(gòu)以及橫向渦結(jié)構(gòu)瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,結(jié)果表明:超大尺度結(jié)構(gòu)主要含能結(jié)構(gòu)在隨非均勻系數(shù)增大而減小,非均勻流大尺度高低速流團(tuán)各自集中出現(xiàn)以及相互摻混出現(xiàn),集群縱向尺度隨非均勻系數(shù)增大而減小,橫向渦結(jié)構(gòu)由大尺度高低速流團(tuán)相互運(yùn)動(dòng)而形成。提出了非均勻流湍流結(jié)構(gòu)演變模型:以水面區(qū)下掃流為湍流結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要驅(qū)動(dòng)力;形成超大尺度流向渦結(jié)構(gòu)、大尺度高低速結(jié)構(gòu);大尺度高低速結(jié)構(gòu)相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生橫向渦、發(fā)夾渦包以及水面泡漩結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：重慶交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV133
【圖文】：

圖.測量大尺度運(yùn)動(dòng)(a)uu(b)wu

圖 . 測量邊界層高低速結(jié)構(gòu)與渦結(jié)構(gòu)對湍流結(jié)構(gòu)中大尺度結(jié)構(gòu)的研究，主要成果為基于在充分發(fā)展湍流的大尺度的瞬態(tài)特征，如長度、寬度、角度等。而對湍流大尺度結(jié)構(gòu)在流動(dòng)扮演的角色還沒有相關(guān)研究成果，如大尺度結(jié)構(gòu)是怎樣與渦結(jié)構(gòu)的交互、大尺度結(jié)構(gòu)對壁面區(qū)域渦包的產(chǎn)生與發(fā)展的作用、大尺度在整個(gè)水深范圍內(nèi)的控制作用、大尺度之間的交互運(yùn)動(dòng)等。1.3.3 湍流結(jié)構(gòu)演變模型在壁面區(qū)域發(fā)現(xiàn)常見的湍流結(jié)構(gòu)（快慢斑，猝發(fā)現(xiàn)象），在外層發(fā)現(xiàn)大尺度和超大尺度的高低速結(jié)構(gòu)，需要建立湍流流動(dòng)模式來解釋粘性底層及外層中的湍流結(jié)構(gòu)。針對壁面區(qū)域的流動(dòng)模式主要以 heodorsen 馬蹄渦（發(fā)夾渦的一種特殊形式）模型和 &drian 發(fā)夾渦包模型為代表，針對明渠全水深流動(dòng)的主要有 種流動(dòng)模式： akagawaand ezu78模型(簡稱 模型）；.mamoto79模型；&drianand arusic 模型（簡稱 & 模型）；楊勝發(fā)80模型。

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本文編號：2728060