层结水体中异重流沿坡运动的试验研究

发布时间：2017-08-06 23:12

  本文关键词：层结水体中异重流沿坡运动的试验研究

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【摘要】：异重流是自然界和工程界中广为存在的重要现象,但目前对于其在层结水体中运动、掺混并发生流态演变的研究相对较少,因此厘清层结水体下异重流沿坡运动的运动机理具有非常重要的意义。本文以线性层结水体中开闸式异重流为对象,通过控制坡度、环境水体层结性等因素开展了一系列水槽试验,利用粒子成像测速仪(PIV)分析和影像分析,获得了异重流沿坡下潜的时间序列数据和高分辨率下异重流的流场、界面涡旋、垂向剖面结构等信息,主要研究成果有：沿坡运动的开闸式异重流是一种非恒定流,当相对层结度S1时,异重流的运动可分为三个阶段：加速阶段,减速阶段和分离阶段。进入分离阶段时,异重流会在中性密度层发生分离并水平侵入环境水体。该条件下还发现环境水体中一些更轻的水体被携带进了分离点下方的水体区域内。在均匀水体或层结水体中,异重流流场均可分为上下两层。在下层区中,异重流的速度方向均与斜坡方向大致平行,而在层结水体的上层区中,速度矢量整体指向水平,表明层结水体中异重流上层区更倾向于侵入各自的中性密度层。上层区的正向涡度是开尔文-亥姆霍兹涡和斜压涡共同作用的结果,下层区的负向涡度的产生则是由于边界层内粘滞力和壁面摩擦的作用。通过比较层结与均匀水体中异重流在相同上层区域的涡度总和值,结果表明层结度对于异重流运动中的涡度强度存在抑制作用。考虑环境水体层结性和坡度因素,得到了异重流在层结水体中加速和减速阶段的头部速度修正公式,计算值能够较好的吻合实测值,表明所得公式可适用于描述线性层结水体中异重流在加速和减速阶段的运动过程；基于量纲分析,考虑坡度、环境水体层结性和入流浮力通量,本文提出了计算分离深度的改进公式,与实验结果比较表明该公式可用于预测异重流的分离深度；6°到12°坡度的变化对于异重流在均匀或层结水体中的头部位置、速度均只存在着微小的影响。而坡度相同时,在均匀水体中异重流头部速度先增大而后速度小幅减小,在层结水体中则由于密度差逐渐减小和沿程浮力损失表现为先增大而后明显减小。弱层结环境中异重流头部速度更快,说明层结度会抑制异重流的运动。最后,本文还初步分析了底坡障碍物对异重流运动的影响,结果表明在均匀水体中3cm和5cm障碍物对于异重流头部速度的最大减幅较为一致,而在层结水体中随着障碍物高度的增大其最大减幅也增大。障碍物的存在会导致异重流的分离深度小于无障碍物下的分离深度。本文研究结果可为海洋环境下污染物的输移过程等研究提供科学参考依据。
【关键词】：异重流 层结度 斜坡 头部速度 掺混 界面不稳定性 分离深度 障碍物
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV145.2
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-23
• 1.1 研究背景与意义12-14
• 1.2 异重流研究进展14-20
• 1.2.1 河口区异重流现场观测14-15
• 1.2.2 均匀水体中的异重流15-16
• 1.2.3 层结水体中的异重流16-18
• 1.2.4 异重流与环境水体的掺混机制18-20
• 1.3 本文研究工作20-23
• 1.3.1 研究内容和方法20-21
• 1.3.2 主要创新点21
• 1.3.3 本文组织结构21-23
• 2 异重流运动基本理论与计算方法23-31
• 2.1 异重流沿坡计算方法23-25
• 2.2 层结水体中异重流基本理论25-30
• 2.2.1 平坡运动理论25-26
• 2.2.2 沿斜坡运动计算参数26-28
• 2.2.3 分离深度计算方法28-30
• 2.3 本章小结30-31
• 3 异重流在层结水体中运动的实验方案31-39
• 3.1 实验装置与测量技术31-34
• 3.1.1 实验水槽31-32
• 3.1.2 层结水体生成装置32-33
• 3.1.3 实验测量技术33-34
• 3.2 实验步骤与实验工况34-36
• 3.3 环境水体层结性分析36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 层结水体中异重流运动现象与流场分析39-53
• 4.1 实验现象影像分析39-42
• 4.2 PIV测量结果分析42-50
• 4.2.1 流场比较分析42-46
• 4.2.2 涡度场比较分析46-48
• 4.2.3 涡度场的演化过程48-50
• 4.3 界面不稳定性分析50-51
• 4.4 本章小结51-53
• 5 层结水体中异重流的动力特性研究53-78
• 5.1 异重流头部速度研究53-66
• 5.1.1 坡度和层结度对头部速度的影响53-59
• 5.1.2 头部速度修正公式59-62
• 5.1.3 头部速度公式验证62-66
• 5.2 异重流垂向速度和涡度分析66-70
• 5.3 层结水体中异重流的分离深度研究70-76
• 5.3.1 分离深度实测数据与分析71-72
• 5.3.2 分离深度改进公式72-76
• 5.4 本章小结76-78
• 6 层结水体中底坡障碍物对异重流运动的影响研究78-88
• 6.1 障碍物实验工况和实验现象78-81
• 6.2 障碍物对异重流运动的影响81-87
• 6.2.1 行进规律81-82
• 6.2.2 流场特性比较82-86
• 6.2.3 障碍物对分离高度的影响86-87
• 6.3 本章小结87-88
• 7 结论与展望88-90
• 7.1 结论88-89
• 7.2 展望89-90
• 参考文献90-96
• 个人简历96

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：631848