坡面薄层流水动力学特性研究
发布时间：2020-04-03 10:16
【摘要】：研究坡面薄层流水动力学特性是研究水力侵蚀的基础。然而由于流态的复杂性和观测手段的限制,目前对坡面薄层流流速及结构特征的认识十分有限,对多因素交互影响下薄层流动力特性的变化尚未达成一致认识。本文采用高频粒子图像测速系统(Particle Image Velocimetry,PIV),探讨了纵垂面坡面薄层流的二维时均流速剖面特征,比较分析其与明渠水流的异同;进一步探究了单株模拟植被上游对称面的薄层流结构特征。通过开展人工模拟降雨试验,系统研究了地表粗糙度、模拟降雨、模拟植被影响下的坡面薄层流水动力学参数的变化规律,并比较了坡面薄层流总阻力与各个阻力分量之间的关系。主要结论如下:1、由雷诺应力分布拟合得到的摩阻流速u*可有效用于坡面薄层流流速剖面及特征参数的估算,据此,流速剖面可划分为受粘性应力影响的内区及受雷诺应力影响的外区,且内外区的界线可变。从床面至水面的流速特征,可划分为4个亚区:粘性底层、缓冲层、对数区及半深度区。根据内外区界限位置y/H,积分常熟C和阻尼系数A的性质,得到本实验条件下薄层流区分于明渠流的水深临界值为1.8 cm;2、提取单株模拟植物上游薄层行近流的时均和瞬时流速特征,通过概率密度函数的曲线特征发现薄层流中的两种流动状态,即回流和下降流,其中下降流由于薄层流动量较小而不能穿过紧贴床面的涡旋,从而直接冲击床面形成,因而本文认为其为存在于薄层流的特殊流动模式。观测并分析时均流场的马蹄涡(Horseshore Vortex,HV)结构特征,阐明其随柱体雷诺数(ReD)变化而呈现3个阶段的运动状态变化,同时验证了地表粗糙度对HV的显著性影响;3、通过开展人工模拟降雨试验发现,坡面薄层流阻力系数与地表粗糙度呈正比关系,与雷诺数Re、雨强呈反比例关系,随着雨强的增加阻力系数减小,降雨具有“减阻”的效果。当坡面有植被时,坡面流阻力系数与Re之间呈正相关,而对于裸坡两者呈负相关。通过配对t检验表明颗粒阻力与降雨阻力,颗粒阻力与植被阻力线性叠加结果显著小于总阻力,证明线性叠加原理不适用于坡面流阻力的计算中;4、分析了植被的盖度与空间格局对坡面薄层流的影响,盖度对坡面薄层流的影响大于植被空间格局对坡面薄层流的影响,随着坡度的增加植被空间格局的作用逐渐减小。当盖度一定时,空间均匀分布(角尺度为0)格局对坡面薄层流产生的阻力最大。以上研究成果可为土壤侵蚀机理奠定理论基础,同时,为森林经理提供一定的技术支持。
【图文】：
１．２．３．２明渠绕流柱体逡逑明渠绕流圆柱体是常见的流动模型，具有较为广泛的应用，例如涉水工程中的桥逡逑墩绕流、码头高|А⒑Ｑ罅⒐艿任侍狻Ｔ仓屏魇蔷淞魈辶ρе泄爬隙指丛拥奈叔义咸猓茉仓某叽缂靶巫础⒗戳鞯睦着凳⒋裁娲植诙鹊榷嘁蛩赜跋臁６杂诠饣仓义咸逶诠饣矫嫔系娜屏魑侍饽壳把绣辰瞎恪５彼髑鹘仓迨保艿嚼醋栽仓宓腻义夏嫜固荻攘Φ淖饔茫髦鸾ゼ跛伲嫣⒃诖锏皆仓迨毙纬芍凡ǎ拷义咸宥瞬糠至魈宄裁嬖硕蛏嫌位亓鳎肜戳餍纬晌行蚋梦行脑硕旒＠噱义纤朴诼硖阈味浦硖阄校ǎ龋郑Ｕ庑┫窒蠖际堑湫偷脑仓屏髦猩嫌味瞬南噱义细山峁梗ǎ牵颍幔驽澹幔睿溴澹桑螅簦椋幔颍簦铮澹玻埃埃玻Ｎ行哂薪洗蟮募羟辛χ率怪寤坎植砍逅ⅰ㈠义锨质矗ǎ耍幔椋颍铮酰幔睿洌遥幔瑁幔椋澹玻埃埃担现氐奶褪醋饔蒙踔粱岵哦盏乃鸷模斐裳现劐义系木盟鹗А６杂诒〔懔魅屏髦宥裕澹睿缱＃幔澹ǎ玻埃保罚┑氖到峁砻髟谥邋义锨岸巳源嬖诘湫偷穆硖阄校⒍曰坎植壳质础Ｈ欢壳盎瓜视惺匝檠绣车谋ㄥ义系馈Ｇ潮〔懔魅屏髟仓迥Ｐ统＜诤影断浯⑶质垂怠⑵旅媛飨滤魅浦脖辉隋义隙愿盟魈跫轮迩岸寺硖阄械难绣尘哂兄匾目蒲б庖濉ｅ义
本文编号：2613242
【图文】：
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