泥沙促淤新型装置--浮帘促淤机理及其与水沙运动之间的相互响应

摘要

滩涂围垦、河流和海岸工程防护、湿地保护能让人类获得宝贵的土地资源和宜人生活环境。但海岸线后退、河流和海岸建筑物掏空失稳时常发生,全球冲刷问题目前十分严重。因此,急需研究新型、高效的岸滩促淤防冲装置。
　　 本文提出了一种新型的河床与海床促淤防冲装置--促淤浮帘,采用室内水槽实验和数值模拟两种研究方法,系统地分析了浮帘后方的水动力特性,揭示了促淤浮帘利用其后方横轴回流促淤的作用机理,取得了可应用于工程实际的相关设计参数的确定方法。主要研究工作和创新成果包括以下主要五个方面:
　　 1.针对试验水槽中近底低流速、以及浮帘后方存在强烈紊动的大尺度横轴回流的特点,研制了一种便捷的自制粒子轨迹测速法,该方法对水流流速场基本无扰动,可测量低至床面3mm处的流速,最小测量速度达到0.5mm/s,可普遍适用于测量试验水槽内二维流速场。
　　 2.在定床水槽中开展了关于以下4个系列的系统试验研究:单个浮帘在水流中自然平衡倾角:浮帘帘体的受力；浮帘后方流场及大尺度回流区；以及浮帘群的间距对以上三个因素的影响。分析结果表明:单个浮帘的自然平衡倾角主要受水流弗汝德数和浮帘高度的影响,其次还与过沙窗口的设计参数有关；浮帘受力主要与浮帘的水下重力和浮帘弗汝德数有关,其中水流等效集中作用力的大小与浮帘弗汝德数呈明显的规律性变化；单个浮帘后方回流区的范围主要与浮帘有效高度有关,其次,还与来流的雷诺数和浮帘的过沙窗口设计参数有关；浮帘群的临界间距主要与浮帘后方回流区范围有关。根据以上分析,本文得出了:自然平衡倾角经验公式；浮帘帘体受力与各影响因素之间的经验关系式；浮帘后方回流区长度和高度的经验公式；以及浮帘群帘间临界间距的判别方法。
　　 3.在动床水槽中进行了泥沙运动和淤积特性的系统试验,研究了单个浮帘后方泥沙淤积量和淤积速度,以及浮帘群的促淤效果。分析得出:单个浮帘后方泥沙淤积特性主要与上游来沙量、水流弗汝德数和帘后主回流范围有关；在浮帘设计参数固定的条件下,浮帘群的间距是决定促淤效果的关键因素。根据实验结果,归纳出了单个浮帘后方泥沙淤积量和淤积速度的经验公式,确定了浮帘群促淤的帘间临界间距。并得出了在临界间距情况下,浮帘群内泥沙的饱和淤积量和淤积速度的经验公式。
　　 4.在定、动床水槽实验基础上,获得最佳浮帘设计参数的确定方法和最佳浮帘群帘间间距,并且可以预测其促淤效果。
　　 5.利用商业软件FLUENT进行数值计算,对比分析了浮帘和固定丁坝后方的回流范围和动水压力。
　　 研究结果表明:浮帘后方回流区较长,帘趾处动水压力较小,根据以上所得的浮帘促淤分析和淤积量经验公式可以推断,与固定丁坝相比,促淤浮帘的促淤作用范围长,址部冲刷轻微,这是促淤浮帘促淤的重要优势。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 课题研究的意义

1.1.1 滩涂资源急待开发

1.1.2 河流及河口地区岸线冲刷问题突出

1.1.3 海岸侵蚀问题急需解决

1.1.4 海岸及海洋建筑物的冲刷破坏问题严重

1.2 国内外现有研究成果及发展状况

1.2.1 几种促淤方法主要研究成果介绍

1.2.2 促淤防冲方法的优点及存在的问题

1.3 本文的工作

第二章 定床条件下浮帘后方流速场测量技术研究

2.1 定床实验水槽介绍

2.2 浮帘材料的选取和制作

2.3 现有流速场测量技术

2.4 超低速全场测量的新便捷技术

2.4.1 方法总则和理论精度

2.4.2 自制粒子轨迹法的验证

2.4.3 浮帘后方回流流速场的测量

2.4.4 自制粒子轨迹法的局限性

2.5 本章小结

第三章 单个浮帘定床水力特性

3.1 浮帘倾斜角度

3.1.1 实验观测

3.1.2 浮帘倾角经验公式的提出及检验

3.1.3 浮帘倾角经验公式的数学特征及误差分析

3.2 浮帘受力及其影响因素分析

3.2.1 帘体上的力矩平衡

3.2.2 力P的量纲分析

3.2.3 力P计算

3.2.4 无量纲参数Γ的实验分析

3.3 浮帘后方流速场的特点

3.3.1 浮帘后方流速场的分区

3.3.2 过沙窗口大小对主回流的影响

3.3.3 过沙窗口位置高度对次回流的影响

3.3.4 封闭主回流区的长度和高度

3.3.5 最大回流区长度

3.4 关于浮帘后方主回流区范围的几点探讨

3.4.1 浮帘后方回流区范围与非淹没丁坝后回流的对比

3.4.2 浮帘与淹没丁坝后方横轴冋流的共同特点

3.4.3 柔性浮帘后方回流区特点在促淤应用中的优势

3.5 本章小结

第四章 定床条件下浮帘群的水力特性

4.1 浮帘群帘间间距对浮帘倾斜角度的影响

4.2 浮帘群帘间间距对群内回流的影响

4.2.1 浮帘群帘间间距对群内流速场的影响

4.2.2 浮帘群帘间间距对浮帘后方主回流区范围的影响

4.3 浮帘群帘间间距对水面线的影响

4.4 浮帘群帘间间距对水头损失的影响

4.5 柔性浮帘群与固定角度浮帘群水面线和水头损失的对比

4.5.1 浮帘群与固定角度浮帘群水面线的对比

4.5.2 浮帘群与固定角度浮帘群水头损失系数的对比

4.6 不同间距的浮帘群数值模拟

4.6.1 数值模型简单介绍及验证

4.6.2 模拟结果及分析

4.6.3 不同倾斜角度的浮帘群水流数值模拟

4.7 本章小结

第五章 单个浮帘及浮帘群动床实验研究

5.1 单个浮帘后方回流长度

5.2 过沙窗口对促进泥沙淤积的作用

5.3 单个浮帘后方平衡淤积量

5.3.1 单个浮帘后方泥沙淤积的时间发展过程

5.3.2 单个浮帘后方主淤积体与主回流长度的关系

5.3.3 流速对单个浮帘后方泥沙淤积速度的影响

5.4 浮帘群内泥沙淤积的特点

5.5 过沙窗口要素对浮帘后方泥沙淤积的影响

5.6 两点讨论

5.6.1 浮帘群底部的冲刷

5.6.2 两种平面排列方式下浮帘的两侧端部冲刷

5.6.3 不同的交错长度对交错排列浮帘的两侧端部冲刷的影响

5.7 本章小结

第六章 全文总结

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

符号与标记(附录1)

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文