规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究

发布时间：2019-07-26 15:23

【摘要】：植物的消波特性能有效防止波浪冲刷所造成的岸线侵蚀。在开展根茎叶共同作用下的刚性植物消波实验的基础上,采用Kobayashi和Dalrymple经验公式计算本实验植物模型的拖曳力系数,探究了拖曳力系数变化规律。通过对比分析两种经验公式计算所得的拖曳力系数,发现采用Kobayashi消波模型对于本实验中刚性植物消波模拟效果更好。根茎叶均在不同程度上对于植物消波特性产生影响。拖曳力系数与邱卡数、雷诺数、厄塞尔数及相对水深之间的关系依赖于植物淹没度。针对包含根茎叶的刚性植物,考虑植物摆动因素,对波能耗散方程中阻力项进行修正,提出改进的消波模型。
【图文】：

规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究

?Ur=8π2ak(kh)3（15）定义植物淹没度α：α=minè÷hhv，1（16）本文拟在上述理论分析的基础上，借助Dalrymple经验公式（6）及Kobayashi经验公式（11）结合实验相关数据求得刚性植物的拖曳力系数CD，进而分析刚性植物拖曳力系数变化特性。最后在前人研究基础上，通过修正波能衰减方程中的阻力项，针对含柔性结构的植物模型提出更为有效的消波模型。3实验概述实验在长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室的波浪水槽内进行，水槽长40.0m，宽0.5m，高0.8m。实验布置如图1所示。图1实验布置（单位：cm）在陈杰等［9］的实验基础之上，根据众多学者［10-13］对我国相关防浪植物带的研究资料，并结合Mazda等［14］学者对相关树种树根的调查资料，同时考虑到实验室的仪器和设备条件，设计实验所需要的“模型树”。如图2所示，本实验采用的几何比尺为1∶10。刚性植物模型树干（茎）部分采用PVC圆管进行模拟，PVC管的弹性模量E为3.53±0.39×109N/m2，PVC管直径为1.1cm，在波浪作用下不会产生变形，可较好模拟植物树干（刚性）部分。植物树冠部分带有较多枝杈，具有一定柔性。选取聚乙烯材料模拟植物冠部（叶），聚乙烯的E为6.45±1.05×108N/m2。冠部直径为10.0cm，冠部垂直高度20.0cm。由于树根根须数量、根须直径、对底面投影面积等几何因素非常复杂，因而对植物树根部分仅做概化模型。采用硬质塑料球架模拟植物根部（根），塑料球架的E为1.96±0.49×108N/m2，在与波浪相互作用时没有较明显的变形，可较好模拟植物树根部分。同时为了更好地模拟根部的复杂性，将塑料球架裁剪成一大一小两种尺寸，小尺寸球架放置于内部，大尺寸放置于外部，根部外层直径为8.0cm，

规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究

轮参榬D减校对于不同α的情况，两种公式计算出模型2的CD的差值随KC的增大而减小，这表明根部对于周围水体流场的影响随KC的增大而减弱。此外，分别对比两种公式计算出的模型1和2的CD值，可以看出根部对于植物消波特性具有一定影响，根部对于消波影响随KC增大而减弱，且这种消波影响对KC的敏感度随KC增大而逐渐减弱。综上所述，根部对植物消波特性的影响依赖于α，对于大部分的α而言（α=0.556，0.778，1.000），根部的存在均增加了植物对于水体的阻力，增强了植物消波能力，，且KC越小，植物根部的消波效果越好。图2植物模型（单位：cm）—849—
【作者单位】：长沙理工大学水利工程学院;水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室;长沙理工大学水科学与环境工程国际研究中心;
【基金】：国家自然科学基金重点项目(51239001);国家自然科学基金项目(51409022) 湖南教育厅科研资助项目(YB2015B034) 水利部水科学与水工程重点实验室开放研究基金项目(YK914013)
【分类号】：TV139.2

【参考文献】