定床阻力坡面薄層水流水力特性研究.pdf

1、坡面薄層流是土壤侵蝕過(guò)程的主要?jiǎng)恿?，其水力特性是研究侵蝕規(guī)律的基礎(chǔ)，但因其流動(dòng)受自然條件下不規(guī)則地形的影響、降雨的擾動(dòng)以及試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)使用等外界條件的限制，導(dǎo)致其水力條件復(fù)雜，試驗(yàn)研究困難重重，已有結(jié)論也存疑頗多。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用新方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步探索和研究。
　　本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬及水工模型試驗(yàn)兩種方法相結(jié)合的方式，探索和研究坡面薄層流水力學(xué)特性各水力參數(shù)的變化規(guī)律。同時(shí)以數(shù)值模擬數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)尺寸及測(cè)量距

2、離設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，通過(guò)水工模型試驗(yàn)，試圖得到判別和反映坡面薄層流流態(tài)界定的新方法。
　　FLUENT計(jì)算機(jī)模擬作為該課題研究的一種新的探索方式，根據(jù)坡面薄層流不同的下墊面條件，忽略降雨等外界條件干擾，以定床阻力水工模型試驗(yàn)為思路進(jìn)行邊界條件設(shè)置，采用VOF方法對(duì)坡面薄層流進(jìn)行自由表面追蹤，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型模擬了水、氣兩相流在不同粗糙度床面條件下各水力學(xué)特性參數(shù)的的變化規(guī)律。
　　該模擬軟件能夠精確計(jì)算坡面薄層流平均速度

3、，且通過(guò)XY分析圖得知水流沿定床長(zhǎng)度方向流速穩(wěn)定的時(shí)間只有幾秒鐘，而水流速度的穩(wěn)定距離則隨著流量的減小而減小，當(dāng)平均流速為1.5m/s時(shí)，穩(wěn)定距離為3.5m。以上測(cè)量數(shù)據(jù)是試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缭O(shè)計(jì)及流速測(cè)量距離確定的依據(jù)。
　　通過(guò)數(shù)值模擬定床阻力試驗(yàn)得出，同流量、相同床面粗糙度狀況下，隨著坡度的增大，水流平均速度、雷諾數(shù)Re、傅汝德數(shù)Fr以及阻力系數(shù)λ均有小幅度增大趨勢(shì)，這表明隨著坡度的增加，坡面流流態(tài)更趨向于阻力平方區(qū)。當(dāng)床面坡度、流

4、量相同而表面粗糙度不同時(shí)，隨著床面凸起度的增大，阻力系數(shù)λ增大，水流消耗的能量也隨之增大，水流速度、雷諾數(shù)減小，水流有從急流變?yōu)榫徚鞯内厔?shì)。以上結(jié)論均與已有文獻(xiàn)結(jié)論一致，證實(shí)了該模擬方法的可行性，通過(guò)比較驗(yàn)證得出表面張力在坡面薄層流中的重要性，同時(shí)為流態(tài)判別及表面張力定量描述的進(jìn)一步研究提供了新思路。
　　模型試驗(yàn)應(yīng)用明渠流理論對(duì)坡面薄層流進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，模擬雷諾試驗(yàn)，進(jìn)行定床阻力放水試驗(yàn)，得出相同床面狀況下，隨著流量的增大，平均流

5、速、水深均隨著流量的增大呈增大趨勢(shì)，但隨著坡度的增大二者均無(wú)明顯變化，因此在表達(dá)上均可近似認(rèn)為二者僅為流量的函數(shù)，且呈較好的冪函數(shù)關(guān)系。隨著流量的增大，雷諾數(shù)Re、弗汝德數(shù)Fr均亦與流量呈正勢(shì)發(fā)展，但與坡度的關(guān)系依然不明顯，而阻力系數(shù)λ隨著流量的增大而減小，但隨著坡度的增大而增大，意味著水流隨著坡度的增大能量消耗也愈大。
　　通過(guò)模擬雷諾試驗(yàn)測(cè)得，坡面薄層流平均流速與表面流速之比α隨流量大小及坡度變化均有不同的取值，測(cè)得坡面薄層流