進(jìn)水口漩渦形成機(jī)理與縮尺效應(yīng)

研究水工建筑物進(jìn)水口漩渦形成的主要影響因素；完善其形成機(jī)理；研究水工模型試驗(yàn)中縮尺對(duì)漩渦的影響；提出模擬進(jìn)水口漩渦的模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法。..水工建筑物進(jìn)水口漩渦現(xiàn)象很普遍，運(yùn)動(dòng)規(guī)律很復(fù)雜，有些類(lèi)型的漩渦將嚴(yán)重危害工程安全，一般需通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究。然而，由于縮尺效應(yīng)，利用模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)漩渦嚴(yán)重程度是否可靠，一直是備受關(guān)注的問(wèn)題，至今沒(méi)有令人信服的研究成果。本項(xiàng)目的研究成果對(duì)模擬水工建筑物進(jìn)水口漩渦 2100433B

抽水馬桶沖水時(shí)，水流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋渦流下排水空。有理論稱，在北半球，水流旋渦是朝逆時(shí)針?lè)较虻?；而在南半球，則是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。而之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于地球自轉(zhuǎn)的緣故。在水利工程中，立軸漩渦是一種常見(jiàn)的水力現(xiàn)象。在一定的泄流條件下，電站引水和泄水建筑物的進(jìn)口均有可能產(chǎn)生立軸漩渦。漩渦的存在，將會(huì)惡化進(jìn)口流態(tài)、降低過(guò)流能力、減少發(fā)電量、加劇水流脈動(dòng)，甚至破壞水工建筑物和水輪機(jī)組。因此，立軸漩渦的研究具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

1.通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬的成果進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)漩渦的大小、形狀、位置、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡等方面的對(duì)比分析，模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬在一定程度上可以再現(xiàn)模型試驗(yàn)中的漩渦，驗(yàn)證了模擬的可信性。2.進(jìn)口周?chē)匦螌?duì)漩渦的影響可通過(guò)速度環(huán)量這一參數(shù)來(lái)反映，因此有必要對(duì)環(huán)量的變化規(guī)律進(jìn)行分析。3.當(dāng)進(jìn)水口形式設(shè)計(jì)不合理，或平面布置不對(duì)稱時(shí)，來(lái)流在進(jìn)水口上方形成一定的初始環(huán)量，對(duì)于漩渦的產(chǎn)生有著重要的影響。通過(guò)數(shù)值模擬的方法從胸墻后傾、進(jìn)水口伸入水庫(kù)的距離、邊墻對(duì)進(jìn)水口的影響和來(lái)流與進(jìn)水口夾角四個(gè)方面進(jìn)行了分析得出：(1)胸墻傾角超過(guò)30°時(shí)，進(jìn)水口上方易產(chǎn)生漩渦;(2)進(jìn)水口伸入水庫(kù)超過(guò)0.5倍管徑時(shí)進(jìn)水口上方易產(chǎn)生漩渦;(3)進(jìn)水口在靠近邊墻較小的范圍內(nèi)易受邊墻的影響而產(chǎn)生漩渦;(4)進(jìn)水口上方漩渦強(qiáng)度隨來(lái)流與進(jìn)水口間夾角的增大而增強(qiáng)。

準(zhǔn)確獲取極端天氣條件下近岸海域的波浪要素是保障港口與海岸工程設(shè)計(jì)安全的前提條件，因此研究臺(tái)風(fēng)、溫帶氣旋和寒潮等大風(fēng)過(guò)程中波浪的生成與演化具有重要意義。近年來(lái)，海浪數(shù)值模擬已成為研究近岸波浪的重要手段，而風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的合理性直接影響著波浪模擬結(jié)果的合理性。另外，近岸海域波浪模擬還需要考慮潮流的影響。為此，本文采用中尺度大氣模式WRF來(lái)模擬風(fēng)場(chǎng)以獲取高精度風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用FVCOM二維潮流模式模擬近岸流場(chǎng)，采用SWAN海浪模式模擬波浪場(chǎng)，建立了大氣-海洋-海浪模型系統(tǒng)，對(duì)臺(tái)風(fēng)及溫帶風(fēng)暴過(guò)程中的近岸波浪進(jìn)行模擬。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：

1、通過(guò)對(duì)比分析，合理確定了臺(tái)風(fēng)及溫帶風(fēng)暴風(fēng)況下WRF模式的各種參數(shù)，并對(duì)兩種風(fēng)況下大氣數(shù)據(jù)同化的效果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明數(shù)據(jù)同化對(duì)臺(tái)風(fēng)的結(jié)果影響較大，對(duì)溫帶風(fēng)暴過(guò)程的結(jié)果影響較小。為了使數(shù)據(jù)同化的效果更明顯，需要更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行同化。

2、將WRF模型計(jì)算數(shù)據(jù)與QSCAT/NCEP混合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)及QSCAT/NCEP與臺(tái)風(fēng)模型合成風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明WRF模型的計(jì)算結(jié)果明顯優(yōu)于其它兩種風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，WRF模型計(jì)算值較其它數(shù)據(jù)更接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以比較合理地描述臺(tái)風(fēng)和溫帶風(fēng)暴大風(fēng)過(guò)程的風(fēng)速、風(fēng)向，可為近岸波浪場(chǎng)的模擬提供高精度風(fēng)速。

3、利用FVCOM二維潮流模式和SWAN海浪模式模擬2007年韋帕臺(tái)風(fēng)及2007年3月溫帶風(fēng)暴潮流和波浪過(guò)程，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明數(shù)值模型能很好地模擬臺(tái)風(fēng)和溫帶風(fēng)暴過(guò)程的潮流和波浪。

4、對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)作用下波浪變化規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)的作用下波浪的傳播方向會(huì)發(fā)生改變，波向逐漸變?yōu)榕c臺(tái)風(fēng)風(fēng)向一致，并形成旋轉(zhuǎn)的波浪場(chǎng)，但波浪場(chǎng)漩渦的位置相對(duì)風(fēng)場(chǎng)漩渦的位置存在一定的滯后性。

5、對(duì)淺水區(qū)域潮流對(duì)波浪的影響進(jìn)行了分析，結(jié)果驗(yàn)證了近岸區(qū)域潮流對(duì)波浪作用的顯著性，在近岸波浪計(jì)算時(shí)需要考慮潮流的作用。

雙反射的形成機(jī)理，一般認(rèn)為非均質(zhì)物體雙反射的顯著程度取決于物體的相對(duì)雙反射率(ΔR')，而與物體的絕對(duì)雙反射率(ΔR )沒(méi)有太大的關(guān)系。

式中R₁和R₂分別為物體最大（最高）和最小（最低）的主反射率。