弯道水流三维运动特性及推移质输沙机理试验研究

Bends are frequently encountered in natural fluvial rivers. Compared with straight sections, river bends exhibit unique features in both flow and sediment transport. This research aims to investigate the three dimensional characteristics of the flow and the mechanism of bed load transport in a specially designed high-quality glass flume with a U turn. A novel PIV/PTV system provides instantaneous 3D velocities based on which other parameters are evaluated including mean velocities, turbulent intensities, spatial correlations, Reynolds stress, and vortex structures. Tracking of the the evolution of strip structures on the bed is achieved by using video cameras to facilitate correlation analysis between strip structures and turbulent bursts. Bed loads are also captured with video cameras, and their speed of movement, thickness and other parameters are then quantified to estimate the rate of transport. Bed forms are scanned by using a novel laser device. The measurement results of flow, sediment transport and bed form evolution enable in-depth anaysis between various processes involved in the bend.

天然冲积河流普遍存在弯曲特征,较之顺直河段，弯道的水流特性与输沙机理具有独特的规律。本项目将在高精度、全透明、全调坡的弯道玻璃水槽中开展试验，研究弯道水流的三维特性和推移质输移规律。利用自主开发的PIV/PTV系统，测量三维瞬时速度，分析弯道水流的时均特性、紊动特性及相干结构，如三维时均流速场、紊动强度、概率密度、雷诺应力等沿弯道的分布及变化规律，脉动流速的时空相关、能谱密度分布，以及漩涡的形状、方向、尺度、强度和产生频率等。采用高分辨率照相机拍摄分析床面泥沙运动的条带结构，探讨其与紊动猝发过程的关系。采用照相和图像处理的方法研究弯道推移质运动的速度、厚度等参数，推求推移质输沙率；用电子天平测量推移质输沙的累积过程，得出实际推移质输沙率。以自主研发的三维地形仪测量三维沙波的运动过程，研究沙波形态及与水流条件的耦合关系。研究推移质的运动路径，揭示推移质异岸输移机理及水沙最大值异位的成因。

天然冲积河流普遍存在弯曲特征,较之顺直河段，弯道的水流特性与输沙机理具有独特的规律。本项目建造了高精度、全透明、全调坡的弯道玻璃水槽，开发了水沙耦合测量系统，并开展系统的试验研究，分析了弯道水流的特征及输沙规律，取得了五项重要的新认识。（1）为使弯道下直段能够恢复至均匀流状态，保证直段自身不对弯道内水流分布造成影响，下直段需要200R(水力半径)甚至更长的距离；弯道段主流偏转位置受槽宽B、弯道中心线半径Ro和水深H的影响，存在明显对数关系；主流在弯道段1/5位置附近由凸岸过渡至凹岸，水流变化剧烈，流速出现极大值点。（2）运动颗粒数量N和运动时长皆随采样时间间隔Δt呈线性增长，平均运动速度U随Δt的增大而减小，而无量纲输沙率Φ则不受Δt的影响。（3）若从较大的时间尺度观察，推移质输沙率随时间变化过程可以大致分为三个阶段；以较小的时间尺度观察，输沙率显示的脉动变化规律非常复杂，其幅度和频率随时间的推移而发生变化，同时还与水流强度及床沙级配有密切关系，原始床沙组成和流量对于脉动特征影响也较大。（4）粗化层二次破坏过程中推移质输沙率发生突变，推移质级配中粗颗粒比例也同步增加；每增加一级流量，其完成粗化后床面级配要比上一级流量更粗，粗化程度加强。（5）推移质运动与水流大尺度结构关系密切，床面颗粒运动区域的条纹峰值间隔约为两倍水深，与水流纵向涡模型完全相符。