含植物明渠水動力特性研究.pdf

1、基于河流生態(tài)修復、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力特性研究的課題，并強調(diào)了這一研究具有重要的實用價值與學術(shù)意義。 建立了變底坡玻璃水槽含植物明渠流的實驗及測試系統(tǒng)，采用了先進的三維超聲多普勒流速儀（ADV）、標準二維粒子圖像測速儀（PIV）以及二維高幀頻Mini-PIV，并配合傳統(tǒng)的測試手段如水位測針、量水堰及測壓管等，實驗測量了含植物水流的二維時均流速場、時均渦量場、瞬時渦量場，研究分析了含植物水流的阻

2、力特性、紊流特性，進而從渦動力學觀點出發(fā)研究了含植物水流的能量耗散與紊動耗散特性。本文的主要創(chuàng)新成果和研究結(jié)論如下： 1、用二維標準PIV測量研究了含淹沒植物明渠流在不同植物密度與不同流量時的二維時均流速場分布特性。 研究表明：由于淹沒植物的存在，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，實驗研究了含柔性植物水流在不同淹沒度時曼寧糙率系數(shù)與柔性植物的偏轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律；對比分析了含淹沒剛、柔性植物明渠水流的曼寧糙率系數(shù)變化規(guī)律。 分析了含非淹沒剛性植物明渠流的阻流因素，在一定前提條件下推導出拖曳力系數(shù)及當量曼寧糙率系數(shù)公式，實驗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動方程可知，流場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值的平方成正比。因此，流場中特征擬熵的分布直接反映了能量耗散率的分布規(guī)律。 采用二維標準PIV測量研究了含淹沒剛、柔性植物的垂向二維時均流速場與渦量場的分布。研究表明：流速梯度是影響含植物水流渦量場的關(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)在淹沒剛、柔性植物冠層以下約30％～50％處。植物的剛度對渦量場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植物時高得多，特別是植物冠層處的頂端附近出現(xiàn)峰值。含淹沒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?，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，植物的彈性模量大，造成水流的動能損失越大。 4、為進一步認識含植物水流的阻力機制和紊流結(jié)構(gòu)，研究了含植物水流結(jié)構(gòu)的紊動特性。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'）。通過試驗實測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逐點測量研究了含淹沒剛、柔性植物段垂線紊流流速特性。結(jié)果表明：含淹沒剛、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，水流紊動交換強烈，該處紊流強度、紊動能及雷諾應力均出現(xiàn)最大值。與柔性植物相比較，剛性植物頂層處紊流強度更大。 采用高幀頻二維Mini-PIV測量了含淹沒植物水流的瞬時流速場、瞬時渦量場，并進一步計算分析了含淹沒植物明渠水流的紊流擬熵，得到了含淹沒剛、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，紊動能的耗散增大。而在冠層以下區(qū)域，水流的紊流擬熵相