大水深明渠湍流涡尺度研究

摘要

研究三峡水库常年回水区大水深(＞30m)条件下湍流紊动结构对认识细颗粒泥沙淤积规律、提高三峡泥沙淤积预报精度具有重要意义。本文建立了一套先进的大水深湍流紊动结构原型测量系统，对三峡水库常年回水区细颗粒泥沙淤积量较大的忠县黄花城和奉节梅溪河口两处河段进行了三维水流脉动流速的原型观测，总布置测量垂线41条，320个测量点。通过实测资料和理论分析，对大水深明渠湍流运动的时均特性以及湍流涡尺度作了详细研究。得到以下几点结论:
　　 1、大水深明渠湍流脉动紊动幅度(√u2/)可以用水深非均匀数Γ来反映。
　　 2、湍流水体整个水深都普遍存在着不同尺度的涡运动;并且大尺度涡能量平均占据湍流脉动动能的84.14％，更高的能够达到95％以上，比均匀流(50-70％)大。
　　 3、在一个完整的大尺度涡运动内，Q1、Q2、Q3和Q4脉动四象限都存在，雷诺应力(-u'v')的瞬时分布不仅与Q2和Q4过程有关，还与Q1和Q3有关。
　　 4、将大水深明渠湍流运动划分为三级涡尺度。认为明渠湍流流动由Ⅰ级涡尺度主导，其波长是水深的0.4-0.5倍，Ⅰ级涡、Ⅱ级涡、Ⅲ级涡和等动量区存在叠加关系，Ⅱ级涡和Ⅲ级涡尺度是上一级涡尺度的1/15-1/10，等动量区尺度是Ⅲ级涡尺度的1/3，等动量区的尺度接近惯性子区和耗散区的临界尺度，且包含了所有含能涡旋区和大部分惯性子区的尺度。
　　 本文将大水深明渠典型的流动过程主要划分为三级涡尺度，在经典湍流理论认为的湍流运动由无穷多尺度的湍流涡组成基础上，进一步揭示了真实的湍流运动机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 湍流研究现状

1．3 主要研究内容与技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 试验设备及试验布置

2．1 试验设备

2．1．1 测量船舶

2．1．2 声学多普勒流速仪

2．1．3 测深仪

2．1．4 水下摄像系统

2．1．5 原型观测试验设备组合

2．2 试验布置

2．2．1 重庆忠县黄花城河段实测布置

2．2．2 重庆奉节梅溪河口河段实测布置

2．3 现场测量过程

2．4 原型观测遇到的问题以及处理方案

2．5 小结

第三章 测量数据处理方法

3．1 ADV采集数据的误差原因分析

3．1．1 流速测量数据可能存在的问题

3．1．2 水深测量数据可能存在的问题

3．1．3 ADV方位角度变化引起的测量精度问题

3．2 现场测量流速数据的误差分析

3．2．1 28m水槽实验布置

3．2．2 28m水槽实验结论

3．3 数据校正方法

3．4 流速数据功率谱分析

3．4．1 ADV长时间序列采集数据实验布置

3．4．2 实验室ADV采集数据分析

3．4．3 不同采样频率数据分析

3．4．4 流速数据降噪方法

3．4．5 降噪前后功率谱对比

3．4．6 功率谱曲线的补充

3．5 小结

第四章 大水深明渠湍流涡尺度识别方法研究

4．1 描述湍流随机过程的方法

4．1．1 概率和概率密度

4．1．2 均值

4．1．3 相关性

4．2 功率谱

4．2．1 维纳-辛钦定理

4．2．2 傅里叶变换

4．2．3 波数谱

4．3 傅里叶变换存在的问题

4．3．1 频谱泄漏

4．3．2 栅栏效应

4．3．3 频谱混叠

4．4 窗函数

4．4．1 矩形窗

4．4．2 Hamming窗

4．4．3 Hanning窗

4．4．4 高阶Hanning窗

4．5 涡尺度计算

4．5．1 左乘渡数谱

4．5．2 累积能量分布

4．6 小结

第五章 大水深明渠湍流涡尺度特性分析

5．1 时均特性分析

5．1．1 选择分析数据样本

5．1．2 脉动流速概率密度分析

5．1．3 垂线流速分布

5．1．4 紊流度分析

5．1．5 三峡水库常年回水区大水深条件下湍流的时均特性

5．2 谱分析

5．2．1 长短流速时间序列波谱对比

5．2．2 湍流涡尺度分布

5．2．3 湍流涡能量贡献

5．3 湍流涡尺度直接判别

5．3．1 流速时间序列的特点

5．3．2 涡尺度的分类及大小

5．3．3 涡尺度沿水深分布

5．4 两种涡尺度比对分析

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 本文不足与研究展望

6．2．1 本文的不足

6．2．2 研究展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果