含植物明渠水流阻力及紊流特性的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、含植物水流問題引起了河流管理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并且成為河流動(dòng)力學(xué)新的、重要的研究課題。本文使用激光多普勒測(cè)速(LDV)技術(shù)，采用圓柱鋁棒模擬剛性植物，結(jié)合理論分析和水槽實(shí)驗(yàn)的方法，研究了含植物明渠的水流阻力和紊流特性。主要進(jìn)行了以下的研究工作： 1、對(duì)國內(nèi)外含植物水流問題的研究內(nèi)容和成果進(jìn)行了綜述。 2、建立了由循環(huán)水槽系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。提出了LDV測(cè)量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)→自然直角坐標(biāo)系(水平、重力垂向)→水槽系統(tǒng)坐

2、標(biāo)系(主流流向、床面垂向)下測(cè)量物理量平均值、二階矩、高階矩的轉(zhuǎn)化公式；對(duì)于二階以上的流速矩，不能運(yùn)用矢量分解來處理坡度的影響。 3、對(duì)無植物三維窄深明渠最大流速位置．yUmax/H進(jìn)行了研究。通過受力分析，指出了床面糙率和邊壁糙率也是影響yumax/H的重要因素?；趯?shí)驗(yàn)各測(cè)量垂線yUmAX/H與寬深比和距邊壁距離的關(guān)系，結(jié)合測(cè)量值對(duì)已有公式的集中度分析，提出了三維明渠“相對(duì)強(qiáng)邊壁區(qū)”和“相對(duì)弱邊壁區(qū)”的概念。實(shí)驗(yàn)表明，同“最

3、大流速下移”現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，縱向紊動(dòng)強(qiáng)度存在“最小紊動(dòng)強(qiáng)度下移”現(xiàn)象，寬深比越小，該現(xiàn)象越明顯。最大縱向流速位置、雷諾應(yīng)由正值向負(fù)值過渡位置、縱向紊動(dòng)強(qiáng)度在接近自由水面區(qū)域最小值位置，近似相同。 4、基于含植物流場(chǎng)的流速和紊動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量值的空間分布，對(duì)流場(chǎng)的橫向、縱向局部不均勻性進(jìn)行了討論，指出由植物引起的局部不均勻性是含植物流場(chǎng)的固有特性，可以通過對(duì)不同測(cè)量位置加權(quán)平均的方法，得到能反映整體流動(dòng)的平均物理量。調(diào)整上下游進(jìn)、出水口流態(tài)

4、、選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)范圍，能有效減少實(shí)驗(yàn)水槽進(jìn)、出水口和邊壁條件的影響。 5、基于流速時(shí)間、空間平均結(jié)果，對(duì)含植物明渠的平均流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。對(duì)已有各種方法計(jì)算的速度比尺進(jìn)行了比較，同時(shí)表明不同方法確定的速度比尺相差較大，分析不同的流動(dòng)參數(shù)應(yīng)采用不同的速度比尺計(jì)算方法。剛性植物非淹沒條件下，平均流速可以寫為流量、渠寬、水深和植物密度的函數(shù)；植物淹沒條件下，很難用同一函數(shù)描述平均流速沿整個(gè)水深的分布；相同寬深比條件下，含淹沒植物明渠

5、和無植物明渠相比，yUmax/H前者高于后者，植物“抬高床面”或是減小了有效寬深比，甚至在寬深比<5.0時(shí)，不出現(xiàn)“最大流速下移”現(xiàn)象。根據(jù)物理意義，精確地確定了理論床面，并結(jié)合對(duì)數(shù)擬合法，確定了含淹沒植物明渠的當(dāng)量粗糙高度K<,s>，提出K<,s>具有水動(dòng)力學(xué)特性，與植物的側(cè)影蓋度、淹沒度和水流結(jié)構(gòu)有關(guān)。 6、通過含植物、無植物明渠平均流速的比較，指出植物對(duì)輸沙率可能的影響：淹沒植物能夠減少近床面推移質(zhì)單寬輸沙率，非淹沒植物能

6、夠減少懸移質(zhì)單寬輸沙率。 7、基于水流阻力等效，提出了等效過水?dāng)嗝?、等效綜合曼寧糙率系數(shù)、植物附加曼寧系數(shù)等一系列等效水力參數(shù)的概念和計(jì)算公式，提出了采用水深作為水力半徑的判別條件。 8、提出了含植物明渠水流阻力的劃分和3種計(jì)算各組成部分的方法。在植物非淹沒條件和淹沒條件下，植物阻力占水流總阻力的百分比對(duì)淹沒度和密度的敏感性不同。 9、利用邊壁阻力分解法建立了剛性模擬植物阻力系數(shù)C<,D>公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，植物

7、非淹沒條件下，C<,d>與1.0相差不大，隨著密度的增大而增大；植物淹沒條件下，C<,D>隨著密度的增大而增大，隨淹沒度的增大而減小。 10、含植物明渠紊流的紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力分布同無植物明渠存在較大差異。植物非淹沒條件下，三者沿水深近似為常數(shù)。植物淹沒條件下，縱向、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度在植物項(xiàng)部出現(xiàn)最大值，植物頂部為能量產(chǎn)生源，能量自植物頂部向床面和自由水面?zhèn)鬟f；在植物層內(nèi)部和植物上方，縱向、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力可以分別寫為y/H<