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代表性

天空河流理论与工程研究


      王光谦院士 2014 年提出“天河”猜想:大气水汽通量场中存在着通量相对较高的水汽输送网络结构,形成全球及区域水汽输送的主干通道,称为“天河”。经过数年努力,提出了“天河”和“白水”概念,建立了“天河”动力学方程、“白水”降水转化分析方法,研发了空中水资源开发利用的关键技术和装备,推动了国际大科学计划的立项实施,引领国际天河研究,产生了广泛国内外影响。“


天河”识别与动力学方程:

      分析全球大气再分析数据,识别出覆盖全球、具有稳定输送路径的“天河”网络。应用统计力学方法,建立了天河动力学方程,理论描述了高阶波的逆扩散使得水汽汇集、形成集中输送路径。


“白水”及其降水转化分析:

      将统计意义上具备降水潜力的水物质通量定义为白水,提出了白水降水效率、白水降水转化率等参量,并进行系统分析。流域内降水量与白水的比值称为白水降水转化率,与总水物质通量的比值称之为总水物质降水转化率。


超高功率声波增雨雪装备与科学试验:

       研发“白水”开发利用的关键装备——超高功率声波增雨雪系统,建成声波发生器原理样机及重要部件数台。在北京、西宁、玉珠峰、都兰等地开展了数十次科学实验,在高海拔、复杂地形条件下,验证了声波增雨雪技术适用的气象条件,完成了声波增雨设备在高海拔地区的性能检验。



环境生态水沙动力学理论与技术


      该代表性成果在水 - 沙 - 河床、污染物、生物膜、底栖动物等多尺度相互作用理论和模拟技术体系方面取得系列原创突破,主要创新点如下:


水-沙-床同步量测平台:

      探测揭示了明渠紊流横向涡、发夹涡、流向涡的特征和多尺度相干结构的相互作用机制,提出明渠紊流相干结构的统一模型,得出含沙水流计算脉动强度与两相的平均速度差的理论关系式,破解了泥沙运动基础认识的系列难题。


生态环境泥沙基础理论:

      关注微观尺度下的颗粒表面特性,首次构建“数学泥沙”概念及研究平台,实现泥沙颗粒表面特性的数学表征,提出了非均匀电荷分布下污染物与颗粒相互作用的络合模式,解决了污染物在泥沙颗粒表面非均匀分布的表征难题;建立了泥沙输移和床面变形过程中污染物迁移转化的物理 - 化学过程模型,降低泥沙输移过程中污染物迁移转化模拟的不确定性,解决了污染物在水-沙-床面分配定量化的难题。


泥沙颗粒-生物膜-底栖动物-河床动力作用机制:

       阐明了河床底质、河床稳定性、生物膜、流速、水深、栖息地连通性对底栖动物群落结构及其生活层厚度影响,建立了典型河床状态下的底栖动物群谱;提出底栖动物沿环境梯度的适宜性模型,解决了青藏高原地形急变带河流生态评价难题。


      研究成果完成专著 4 部,发表论文 50 余篇,授权发明专利 20 余项,获国家科技进步二等奖 1 项,省部级科技进步一等奖 3 项。



土体与结构一体化抗震设计理论研究与实践


       土工抗震是结构抗震不可或缺的重要组成部分。以往不考虑土体与结构协同工作的抗震设计,轻视了土体的抗震能力,造成很大浪费和安全风险。该成果将土工抗震的研究对象从以往的只针对“土体”提升到更注重“土体与结构系统”,对带有普遍性和基础性的关键工程科学难题展开了长期深入研究,创建了以“土体与结构一体化设计”为核心的土工抗震理论与技术体系,主要取得如下进展:

       1、建立了结构与土体接触面静动力学理论与测评技术,使接触面力学行为的测定与评价实现了从过去的半经验到科学、合理和实用化的显著提升。

       2、建立了土体地震变形预测理论与技术、包括地震液化大变形本构理论及零有效应力状态算法,攻克了地震液化大变形难以合理评价等系列技术瓶颈。

       3、建立了多层次土体与结构动力相互作用理论与分析技术,提出了非极限状态地震土压力理论公式及算法,解决了浅埋结构地震时土层抗力评定等诸多难题。

       4、研制和发明了大型土体与结构接触面静动力加载试验机、复杂动力加载土工试验机等 3 个系列的试验设备及测试技术,填补了试验技术空白。

       5、研发了结构与土体一体化抗震设计的计算分析技术,已直接应用到地铁地下结构、建筑基础、港口航道、海上风电等国内外数十项大型结构工程抗震设计。

      基于该成果的抗震设计实践,主持研编了国家标准《地下结构抗震设计标准》,是国内外第一部专门针对各种主要地下结构的抗震设计规范。国家标准《构筑物抗震设计规范》依据该成果增设了“挡土结构”一章。该成果还被收入其它 6 部抗震设计规范指南,写入美国、日本等国内外多部教材及专著,取得了显著社会和经济效益。



特高拱坝智能梯度控裂技术


      特高拱坝基础复杂、水推力巨大、应力水平高、安全稳定要求极高,一旦开裂就对其长期运行安全造成隐患,其防裂控裂技术一直是世界难题。项目围绕施工中的坝块防裂、横缝适时张开两个核心技术问题,突破了拱坝混凝土控裂技术瓶颈,取得了系列原创成果。

       (1)建立了特高拱坝混凝土梯度控裂理论,研发了拱坝梯度闭环控裂技术与设备。揭示了特高拱坝梯度致裂机理,提出了梯度控裂理论,创建了拱坝梯度闭环控裂技术与现场工艺,发明了智能控裂成套技术,研发了控裂集成成套设备。

        (2)揭示了特高拱坝横缝开合机理,研发了拱坝横缝开度梯度控制技术与设备。揭示了特高拱坝横缝增开机理,发明了横缝性态辨识与横缝张开时机监测 - 识别 - 控制等横缝开度梯度控制技术与设备,建立了横缝变形协调分析方法,实现了横缝变形协调,解决了横缝后期异常增开问题。

       (3)研发了拱坝混凝土真实性能的试验技术与设备。提出了采用现场浇筑试件、实验室人工环境模拟确定混凝土真实性能的试验方法,发明了温度应力试验技术与成套设备,提出了基于强度和变形的混凝土破坏准则。

       成果在我国溪洛渡特高拱坝工程中得到全面成功应用,支撑溪洛渡水电站获得“菲迪克 2016 年工程项目杰出奖”。本成果正全面应用于白鹤滩、乌东德等特高拱坝施工建设中,推广应用前景广阔。成果获发明专利 18 件(其中 1 件为美国发明专利),软件著作权 6 项,出版专著 1 部,发表 SCI 检索论文 62 篇,获 2015 年国家科技进步二等奖。



复杂工况下水力机械不稳定性分析及其抑制研究


(1)颗粒 - 空化泡动力学理论

      首次观测、分析了空泡、颗粒相互作用下的汽、液、固三相接触现象,并捕捉到空泡诱发颗粒高速喷射现象;揭示了空泡、颗粒临界接触条件及颗粒最大速度产生的可能机理。成果发表于《PhysicalReview Letters》等顶级期刊,并受到审稿人的高度评价。


(2)空化、漩涡流动不稳定性机理

      揭示了空化体积二阶导数为低频空化水压脉动激增的根源,探明了水轮机在不同空化数下螺旋涡带的形态演变过程及其诱发压力脉动特征;率先捕捉到多个前缘凸起翼型吸力面上的复杂非周期性流场特征,为复杂工况下水力机械性能和稳定性的优化提供了重要的理论基础和技术指导。该成果有 5 篇被评为 ESI 高被引论文,1 篇被评为中国百篇最具影响力国际学术论文。


(3) 新一代双向潮汐发电机组

       针对世界上首台采用 3 叶片的双向潮汐发电机组 - 江厦 1 号机组,首次研发了三叶片可六工况双向高效运行的潮汐发电机组转轮;完成了增效扩容改造工程,机组功率由 545KW提高到 700KW,正向效率由 79.3% 提高到88.7%,反向效率由 69.7% 提高到 78.1%,并有效抑制了机组流道内的压力脉动和机组振动。央视《大国重器》栏目对该电站作专题报道,并给予高度评价。