基于PIV的模拟植被配置方式对坡面流水动力特性的影响
发布时间：2021-02-07 22:16
坡面流是坡面侵蚀的主要动力,水深极浅,易受植被因素影响,流动复杂。基于传统一维宏观测量技术,以往的研究已经证实,植被通过调整流速、流态、阻力等水动力参数发挥水土保持作用。随着植被生态建设的深入发展,植被的空间配置问题得到广泛关注,深入解析典型空间配置参数影响下的水动力特性,成为研究热点和前沿课题。本文通过开展室内坡面流试验,将模拟植被设置三类不同的空间配置方式,每类配置方式下设置多组流量过程,将高频率高分辨率粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）用于坡面流局部二维流场的观测,同时采用超声波水位计获取沿程水位信息,系统分析不同植被配置条件下的水动力参数（流速、流态、阻力）的变化特征,同时重点关注局部二维水流结构（涡旋结构和紊动特性）,以期丰富植被影响下的水动力特性研究视角,同时获取最佳植被配置参数,为植被生态建设提供依据。主要结论如下:（1）在单根植株上游位、平行位、下游位位置布设辅助植株,观测主植株上游的水动力参数和涡旋结构。结果显示,辅助植株可明显改变流场中的高流速区域;下游放置辅助植株时,观测区内的雷诺应力、剪切力和紊动强度值最小,马蹄涡的...
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1明渠流柱体绕流典型马蹄涡系结构
基于PIV的模拟植被配置方式对坡面流水动力特性的影响10析不同工况下的沿程平均流速、流态、阻力系数的定量关系、不同水力学参数之间的相关关系，同时分析垂向剖面流速在沿程的变化规律，阐明不同工况下坡面流的整体运动以及局部水流变化规律。基于以上研究内容，本文的研究技术路线图如图1.4.1所示。图1.4.1技术路线图Figure.1.4.1Theflowchartoftechnology
2.材料与方法112.材料与方法2.1.试验水槽系统本研究选用室内模拟试验，考虑到野外实验的复杂性和不确定性，以及使用测量仪器的局限性、适用性等方面因素，因此利用水槽进行试验研究。试验于北京林业大学水土保持沟蚀机理与过程实验室的开敞式自循环玻璃水槽中开展，试验水槽长12.4m，宽为0.3m，高为0.3m，坡度可调节范围0-1.5%，水槽系统由供水段、实验段、集水段组成（见图2.1.1），水槽出水口摆放蜂窝状PVC管，以平稳水流，流量由供水段的变频器、水泵、电磁流量计控制。利用超声波水位计、千分尺分别观测总体和局部的水深，水温利用温度计进行计量，精度为0.1℃，水槽的尾端设置尾门，可用于调节水位等条件。在本实验中，最小的宽度深度比为5.7，在这种水深状态下，流动是准二维流（Nezuetal.,2005)，因此可忽略侧壁的影响。图2.1.1水槽示意图Figure2.1.1Schematicdiagramofwatertank2.2.PIV系统2.2.1PIV的测量原理PIV测量中系统硬件主要有：示踪粒子、CCD相机、计算机、激光器、辅助光学元器件等。在水流中放入示踪粒子，利用YAG激光发射器（功率8W）发出的激光打在标定好待观测的水体，示踪粒子在激光的照射下，沿水流移动的粒子被高频高精度CCD相机（像素640×480）连续捕获，得到较长时间序列的示踪粒子图像。应用的计算程序由清华大学开发，基于图像变形的多重网格迭代、判读预处理以获得的图像，利用高斯中值滤波剔除掉图像中的背景噪音，对比两图片中具有最大相关系数的矩阵距离以及两者曝光时间来计算一点的流速值。如
【参考文献】：
期刊论文
[1]倒伏植被茎秆粗度对坡面水流特性的影响[J]. 刘颖,张升堂,王之凯,李贵宝. 水利水电科技进展. 2020(01)
[2]含柔性植被水槽水流特性试验研究[J]. 张凯,景何仿,宋滢汀,李春光. 人民长江. 2018(17)
[3]坡度和雨强对坡面流水力学特性的影响研究[J]. 刘燕,王丰. 科技通报. 2018(08)
[4]低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究[J]. 杨坪坪,张会兰,王云琦,王玉杰. 工程科学与技术. 2019(01)
[5]高速流动PIV示踪粒子跟随响应特性实验研究[J]. 王彦植,陈方,刘洪,沙莎,逯雪铃,张庆兵,岳连捷. 实验流体力学. 2018(03)
[6]The experimental study of hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with three-dimensional Geomat[J]. 王广月,孙国瑞,李建康,李炯. Journal of Hydrodynamics. 2018(01)
[7]模拟植被地表覆盖率和粗糙度对坡面流水动力特性的影响[J]. 刘文剑,张会兰,王玉杰,王云琦,杨坪坪,王晨沣,赵兴龙. 水土保持学报. 2017(06)
[8]降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性[J]. 蒋利斌,张会兰,杨坪坪,刘文剑. 北京林业大学学报. 2017(08)
[9]雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响[J]. 王俊杰,张宽地,杨苗,范典,龚家国. 农业工程学报. 2017(09)
[10]模拟植被地表覆盖率与地表粗糙度对坡面流流速的影响[J]. 刘洋,孙保平,杨坪坪,肖恩邦. 浙江农业学报. 2017(03)
博士论文
[1]坡面侵蚀性降雨径流水动力学特性及其对输沙的影响[D]. 赵春红.西北农林科技大学 2014
硕士论文
[1]降雨条件下坡面薄层水流水动力学特性试验研究[D]. 梅欣佩.西安理工大学 2004
本文编号：3022902
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1明渠流柱体绕流典型马蹄涡系结构
基于PIV的模拟植被配置方式对坡面流水动力特性的影响10析不同工况下的沿程平均流速、流态、阻力系数的定量关系、不同水力学参数之间的相关关系，同时分析垂向剖面流速在沿程的变化规律，阐明不同工况下坡面流的整体运动以及局部水流变化规律。基于以上研究内容，本文的研究技术路线图如图1.4.1所示。图1.4.1技术路线图Figure.1.4.1Theflowchartoftechnology
2.材料与方法112.材料与方法2.1.试验水槽系统本研究选用室内模拟试验，考虑到野外实验的复杂性和不确定性，以及使用测量仪器的局限性、适用性等方面因素，因此利用水槽进行试验研究。试验于北京林业大学水土保持沟蚀机理与过程实验室的开敞式自循环玻璃水槽中开展，试验水槽长12.4m，宽为0.3m，高为0.3m，坡度可调节范围0-1.5%，水槽系统由供水段、实验段、集水段组成（见图2.1.1），水槽出水口摆放蜂窝状PVC管，以平稳水流，流量由供水段的变频器、水泵、电磁流量计控制。利用超声波水位计、千分尺分别观测总体和局部的水深，水温利用温度计进行计量，精度为0.1℃，水槽的尾端设置尾门，可用于调节水位等条件。在本实验中，最小的宽度深度比为5.7，在这种水深状态下，流动是准二维流（Nezuetal.,2005)，因此可忽略侧壁的影响。图2.1.1水槽示意图Figure2.1.1Schematicdiagramofwatertank2.2.PIV系统2.2.1PIV的测量原理PIV测量中系统硬件主要有：示踪粒子、CCD相机、计算机、激光器、辅助光学元器件等。在水流中放入示踪粒子，利用YAG激光发射器（功率8W）发出的激光打在标定好待观测的水体，示踪粒子在激光的照射下，沿水流移动的粒子被高频高精度CCD相机（像素640×480）连续捕获，得到较长时间序列的示踪粒子图像。应用的计算程序由清华大学开发，基于图像变形的多重网格迭代、判读预处理以获得的图像，利用高斯中值滤波剔除掉图像中的背景噪音，对比两图片中具有最大相关系数的矩阵距离以及两者曝光时间来计算一点的流速值。如
【参考文献】：
期刊论文
[1]倒伏植被茎秆粗度对坡面水流特性的影响[J]. 刘颖,张升堂,王之凯,李贵宝. 水利水电科技进展. 2020(01)
[2]含柔性植被水槽水流特性试验研究[J]. 张凯,景何仿,宋滢汀,李春光. 人民长江. 2018(17)
[3]坡度和雨强对坡面流水力学特性的影响研究[J]. 刘燕,王丰. 科技通报. 2018(08)
[4]低柱体雷诺数下柱体上游薄层水流马蹄涡特征研究[J]. 杨坪坪,张会兰,王云琦,王玉杰. 工程科学与技术. 2019(01)
[5]高速流动PIV示踪粒子跟随响应特性实验研究[J]. 王彦植,陈方,刘洪,沙莎,逯雪铃,张庆兵,岳连捷. 实验流体力学. 2018(03)
[6]The experimental study of hydrodynamic characteristics of the overland flow on a slope with three-dimensional Geomat[J]. 王广月,孙国瑞,李建康,李炯. Journal of Hydrodynamics. 2018(01)
[7]模拟植被地表覆盖率和粗糙度对坡面流水动力特性的影响[J]. 刘文剑,张会兰,王玉杰,王云琦,杨坪坪,王晨沣,赵兴龙. 水土保持学报. 2017(06)
[8]降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性[J]. 蒋利斌,张会兰,杨坪坪,刘文剑. 北京林业大学学报. 2017(08)
[9]雨强和糙度对坡面薄层流水动力学特性的影响[J]. 王俊杰,张宽地,杨苗,范典,龚家国. 农业工程学报. 2017(09)
[10]模拟植被地表覆盖率与地表粗糙度对坡面流流速的影响[J]. 刘洋,孙保平,杨坪坪,肖恩邦. 浙江农业学报. 2017(03)
博士论文
[1]坡面侵蚀性降雨径流水动力学特性及其对输沙的影响[D]. 赵春红.西北农林科技大学 2014
硕士论文
[1]降雨条件下坡面薄层水流水动力学特性试验研究[D]. 梅欣佩.西安理工大学 2004
本文编号：3022902
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