含植物明渠水動(dòng)力特性研究.pdf

1、基于河流生態(tài)修復(fù)、河道管理與水資源可持續(xù)發(fā)展的要求，提出了含植物明渠水動(dòng)力特性研究的課題，并強(qiáng)調(diào)了這一研究具有重要的實(shí)用價(jià)值與學(xué)術(shù)意義。 建立了變底坡玻璃水槽含植物明渠流的實(shí)驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)，采用了先進(jìn)的三維超聲多普勒流速儀（ADV）、標(biāo)準(zhǔn)二維粒子圖像測(cè)速儀（PIV）以及二維高幀頻Mini-PIV，并配合傳統(tǒng)的測(cè)試手段如水位測(cè)針、量水堰及測(cè)壓管等，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了含植物水流的二維時(shí)均流速場(chǎng)、時(shí)均渦量場(chǎng)、瞬時(shí)渦量場(chǎng)，研究分析了含植物水流的阻

2、力特性、紊流特性，進(jìn)而從渦動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)研究了含植物水流的能量耗散與紊動(dòng)耗散特性。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新成果和研究結(jié)論如下： 1、用二維標(biāo)準(zhǔn)PIV測(cè)量研究了含淹沒(méi)植物明渠流在不同植物密度與不同流量時(shí)的二維時(shí)均流速場(chǎng)分布特性。 研究表明：由于淹沒(méi)植物的存在，影響了植物區(qū)明渠水流的流速分布，植物冠層以下的流速分布受植物的影響很大，且與離植物斷面的距離有關(guān)。植物冠層處流速梯度最大。與淹沒(méi)柔性植物相比剛性植物冠層處的流速梯度更大。而植物

3、冠層以上區(qū)域，水流受植物的影響程度逐漸減小。 2、在恒定均勻流條件下，實(shí)驗(yàn)研究了含柔性植物水流在不同淹沒(méi)度時(shí)曼寧糙率系數(shù)與柔性植物的偏轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律；對(duì)比分析了含淹沒(méi)剛、柔性植物明渠水流的曼寧糙率系數(shù)變化規(guī)律。 分析了含非淹沒(méi)剛性植物明渠流的阻流因素，在一定前提條件下推導(dǎo)出拖曳力系數(shù)及當(dāng)量曼寧糙率系數(shù)公式，實(shí)驗(yàn)研究了不同植物密度與水深條件下的阻流特性，得出拖曳力系數(shù)及當(dāng)量曼寧糙率系數(shù)隨不同因素如水深、植物密度以及V/V

4、*等的變化規(guī)律。 3、從不可壓縮流體渦運(yùn)動(dòng)方程可知，流場(chǎng)中渦量取決于流速梯度與流體的粘滯性。在高Re數(shù)條件下的含植物明渠的紊流流場(chǎng)中，渦量主要取決于流速梯度；流體中能量耗散率是與擬熵直接相關(guān)的，即與流體中渦量絕對(duì)值的平方成正比。因此，流場(chǎng)中特征擬熵的分布直接反映了能量耗散率的分布規(guī)律。 采用二維標(biāo)準(zhǔn)PIV測(cè)量研究了含淹沒(méi)剛、柔性植物的垂向二維時(shí)均流速場(chǎng)與渦量場(chǎng)的分布。研究表明：流速梯度是影響含植物水流渦量場(chǎng)的關(guān)鍵因素，剛

5、、柔性植物冠層附近水流受到的干擾大、流速梯度大；渦量最大值出現(xiàn)在淹沒(méi)剛、柔性植物冠層以下約30％～50％處。植物的剛度對(duì)渦量場(chǎng)的大小和分布特征有一定的影響。 由于植物的存在使得特征擬熵明顯比無(wú)植物時(shí)高得多，特別是植物冠層處的頂端附近出現(xiàn)峰值。含淹沒(méi)剛性植物冠層處水流的特征擬熵明顯高于柔性植物，相同流量下其峰值約為柔性植物的2～5倍?？梢?jiàn)，植物冠層處水流的能量耗散大，是造成水流能量損失的重要原因。與柔性植物比較，剛性植物冠層處的水

6、流的能量損失明顯要高于柔性植物。由此可見(jiàn)，植物的彈性模量大，造成水流的動(dòng)能損失越大。 4、為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)含植物水流的阻力機(jī)制和紊流結(jié)構(gòu)，研究了含植物水流結(jié)構(gòu)的紊動(dòng)特性。在高雷諾數(shù)Re條件下，不可壓縮流體的紊流耗散率ε可近似等于2υ[1/2ωi'ωi'）。通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的紊流擬熵的變化規(guī)律，以探討紊流耗散的規(guī)律。 采用三維ADV逐點(diǎn)測(cè)量研究了含淹沒(méi)剛、柔性植物段垂線紊流流速特性。結(jié)果表明：含淹沒(méi)剛、柔性植物明渠紊流流速具有各向

7、異性特性；在植物冠層處，水流紊動(dòng)交換強(qiáng)烈，該處紊流強(qiáng)度、紊動(dòng)能及雷諾應(yīng)力均出現(xiàn)最大值。與柔性植物相比較，剛性植物頂層處紊流強(qiáng)度更大。 采用高幀頻二維Mini-PIV測(cè)量了含淹沒(méi)植物水流的瞬時(shí)流速場(chǎng)、瞬時(shí)渦量場(chǎng)，并進(jìn)一步計(jì)算分析了含淹沒(méi)植物明渠水流的紊流擬熵，得到了含淹沒(méi)剛、柔性植物水流紊流擬熵的分布規(guī)律。 研究結(jié)果表明：受植物的影響，在其冠層處，水流的紊流擬熵明顯增大，紊動(dòng)能的耗散增大。而在冠層以下區(qū)域，水流的紊流擬熵相