清华大学泥沙研究回顾_王光谦

DOI:10.16239/ ki.0468-155x.1999.06.005

泥沙研究

　1999年12月Journal of Sediment Research第6期

清华大学泥沙研究回顾

王光谦,张　仁,惠遇甲,王桂仙,王兴奎

(清华大学,北京100084)

中图分类号:N1　文献标识码:B　文章编号:0468-155X(1999)06-0021-05

1　基本情况简介

清华大学泥沙研究室是国内外著名的泥沙研究基地之一,它的前身起始于1971年的清华大学水利系三门峡基地。泥沙研究室成立于1978年,是由已故中国科学院院士钱宁教授创建的。现有在职人员17名,其中教授7名,副教授5名。林秉南院士、谢鉴衡院士、窦国仁院士、梁应辰院士为兼职教授。共培养出博士研究生12名,硕士研究生60余名,在读研究生近20人。还设有博士后流动站,在站博士后3名。

泥沙研究室所属的泥沙实验室为清华大学一级实验室。实验室面积4750平方米。模型大厅长120米,宽24米。有大型可调坡活动水槽1座(长64米,宽1.2米),中型活动水槽4座,及直径2-8英寸、长133米的四条循环管道和水沙分离系统。实验室还有先进的测量仪器,如开发研制的图象显示流场测量系统获得国家发明专利,流量自动控制系统及红外测沙仪等获得清华大学实验设备奖。

泥沙研究室自创立以来,先后承担国家“六五”至“九五”攻关课题,完成黄河洪水和泥沙问题综合治理研究、长江葛洲坝泥沙模型试验、长江三峡水库回水变动区泥沙模型试验、长江三峡工程坝区泥沙模型试验研究及平面二维数学模型计算、秦山核电站取水口及循环系统泥沙问题、高含沙水流运动、固体物料管道水力输送等重大课题。先后获得国家自然科学二等奖、国家科技进步特等奖和一等奖、国家教委科技进步一等奖等20多项奖励。完成学术论文及科研报告600余篇,出版专著及教材10部,曾获得全国优秀图书一等奖和高教出版社优秀图书特等奖。

研究方向包括泥沙运动力学、河床演变学、河工模型试验、河流海岸动力学、泥沙数学模型、高含沙水流、固体物料管道输送、两相流基础、泥石流、治河工程、水土保持等方面。

由于中国河流众多,水土流失严重,泥沙问题的研究具有特别重要意义。泥沙研究室自成立至今,科研上走出了一条成功之路。既进行高水平的学术研究,也紧密结合重大工程解决生产问题,已成为泥沙研究领域在国内外有广泛影响的科研机构。

2　主要研究成果

2.1　泥沙运动基本理论

清华大学始终重视泥沙运动基础理论研究。钱宁、夏震寰、黄万里等老一代导师早年都在美国学习,分别师从本学科的著名专家爱因斯坦、卡林斯基等。归国后,把泥沙运动基本理论用来解决我国水利工程建设中的关键技术问题。结合我国泥沙问题的特点,围绕工程实际开展科学研究,培养出一大批泥沙专业人才,形成了理论与实践并重的清华学风,取得一大批理论研究成果。80年代初,钱宁先生与黄河水利委员会合作在分析总结黄河泥沙运动与沉积规律时,基于大量野外河道泥沙沉积物粒径组成的实测资料,首次把黄河下游泥沙运动、沉积与中游泥沙来源区建立联系,揭示了粗颗粒泥沙

作者简介:王光谦(1962-),男,清华大学教授。

对下游河道冲淤规律的重要影响,对黄河中游的治理具有重要的指导意义,获得了国家自然科学二等奖。钱宁先生指导研究生对泥沙运动基本理论多个方面开展研究,例如,指导王兴奎博士进行明槽紊流特性研究,自行研制出能测量高浓度紊流特性的脉动流速仪,做了系统的试验研究,对挟沙水流特性及颗粒存在对紊流结构的影响研究取得了创新成果,发表在美国土木工程师会刊(ASCE)的论文被SCI引文索引10余次;指导王兆印博士对高含沙水流运动规律进行了深入的研究,取得了该方面研究的系统成果。夏震寰先生在退休前指导的博士研究生数量居清华大学之首位。第一位博士戴纪岚进行管道紊动两相流的理论分析与实验研究,是国内该研究领域的先驱者之一。最后一位博士张红武结合黄河实际研究高含沙洪水运动规律,成果运用在小浪底水利枢纽泥沙实体模型设计及工程研究中,被评为全国首批百名优秀博士论文之一,是水利类专业唯一的获奖者。钱宁、夏震寰、张仁、惠遇甲、费祥俊等教授指导的其他几位博士研究生倪晋仁、胡春宏、王光谦、邵学军等都选择基本理论方面的题目开展研究。倪晋仁关于泥沙浓度分布统一公式的研究,从理论上揭示无论采用何种理论:扩散理论、能量理论、混合理论、相似理论及随机理论,在求解悬移质浓度分布公式时都能归化为扩散方程的简单形式,而且通过对掺混长度及紊流特性的研究提出泥沙浓度分布公式的统一模式,使得著名的Rouse、Ve-likanov、Laursen、Hunt、Tanaka、Lane-Kalinske等公式都成为特例。成果发表在ASCE杂志,被论文评阅人给予了”Exceptional”的评价。关于悬移质浓度分布,倪晋仁、王光谦提出浓度分布存在两种不同类型,即传统的浓度上小下大的I I型与最大浓度不出现在底部的I型。过去关于浓度分布的研究都是针对I I型的,一些试验成果曾揭示出I型分布,但是没有从机理和理论上分析。针对I型浓度分布存在的客观事实,首先从水流脉动特性分析该种类型分布的力学机理,进一步类比气体分子运动论,从Boltzmann方程出发推导得出浓度分布公式,该公式能够描述I型分布特性,最大浓度位置出现在泥沙颗粒重力与升力相等之处。该项创新成果发表在ASCE杂志。胡春宏应用高速摄影技术研究推移质运动规律。高速摄影能够获取推移质颗粒运动轨迹的过程信息,通过大量颗粒运动特性的统计分析,统计出了单颗粒跃移的特征参数,并建立了推移质输沙率计算公式,成果发表在ASCE杂志。泥沙运动的基础理论是固液两相流理论,王光谦提出了固液两相流的双流体模型,对流体相采用宏观连续介质模型(continuum model)描述,而对颗粒相采用微观动理模型(kinetic model),应用该模型计算了颗粒的速度概率密度分布函数和平均速度分布,并在管道中进行固液两相流试验研究,用激光流速仪测量固液各相的参数,验证了理论计算结果。成果发表在国际多相流杂志,被华盛顿大学Crowe教授评论为提出了”more advanced model”。邵学军应用随机理论研究悬浮颗粒在随机力作用下的运动规律,并通过均匀紊动试验研究了不同粒径和密度颗粒的紊动扩散,加深了对紊流中颗粒运动机理的认识。

清华大学关于泥沙运动的理论研究成果许多是由导师指导博士研究生完成的。除上述较早期的博士论文研究成果外,近期在费祥俊教授指导下舒安平博士关于水流挟沙力的理论与试验研究、熊刚博士关于粘性泥石流运动机理和邵颂东博士关于流体流团模型的研究,林秉南、韩其为、府仁寿教授指导的秦文凯博士关于三峡建坝前后洞庭湖关系研究,府仁寿和陈稚聪教授指导的齐梅兰博士关于紊动射流对水流挟沙特性影响的研究,都在理论上取得一定的突破或进展。因篇幅所限,不在这里介绍了。

对泥沙运动理论的研究不仅是取得创新性成果,也包括对已有成果的分析、总结、提高。钱宁在80年代初关于推移质输沙率公式的比较,为该方面研究的典范,通过输沙强度参数和水流强度参数把Einstein、Bag nold、Mey er-Peter、Yalin、Eng lund、Ackers-White等著名的推移质公式化为统一的形式,比较了各家公式的适用性。各家公式的理论或实验基础各不相同,但是非常巧妙的是能够用一组参数统一起来,为后人的应用或理论研究指明了思路。

2.2　工程泥沙研究

清华大学工程泥沙研究具有较长的历史。早期在清华大学水利系三门峡基地,针对长江上第一坝———葛洲坝水利枢纽的修建,与国内兄弟单位平行开展了葛洲坝水库回水变动区泥沙冲淤问题的攻关研究,把工程泥沙研究推向新的阶段。建立了当时国内最大尺度的实体模型,提出了系统的模型相似理论体系并首次大规模采用了比重1.05的轻质沙模拟悬移质泥沙冲淤同时相似获得成功。经过葛洲坝水利枢纽工程运行后的原型观测结果验证了葛洲坝工程泥沙模型试验成果。清华大学的张光斗、钱