漂浮植被的阻流特性研究
发布时间：2020-07-29 11:14
【摘要】：为了定量研究漂浮植被的阻流特性,采用电子应力计对漂浮植被的拖曳力进行测量,基于边界层理论对其受到的拖曳力进行计算分析,并将实测的植被-水体交界面处切应力与基于边界层理论计算得到的拖曳力值进行了对比分析.研究结果表明:在充分发展的湍流边界层中,将边界层理论用于分析漂浮植被拖曳力是可行的;漂浮植被摩擦阻力的大小与速度的平方成正比,而压强阻力的大小与流速的平方成反比;植被拖曳力系数由植被区长度雷诺数和植被区高度雷诺数共同决定.
【图文】：
流装置，确保水流平稳均匀地进入水槽中；在出口段设有可调节的尾门来控制水深，试验过程中保持流量恒定．为了减少尾门顶托作用对试验结果的影响，试验段选取在水槽的中间段（４．０～１１．２ｍ）．天然状态下，漂浮植被多以不规则形状斑块（或浮毯）的形式出现，为了体现这种天然布设形态，本次试验选取仿真荷叶来代表漂浮植被．试验段漂浮植被由１２片直径约为０．６ｍ的仿真荷叶组成，叶片间用细尼龙线进行连接．仿真荷叶以微漏斗型平铺水面，入水深度约为０．５ｃｍ．试验示意图见图１，试验用仿真荷叶见图２．图１中：θ为尼龙线与水面的夹角；Ｈ为水深；ｕｍａｘ为最大流速；Ｄ为仿真荷叶的直径；τｖ为仿真荷叶与水交界面处的切应力．流场采用三维图１试验布置示意图·１１１第·５期韩丽娟，等：漂浮植被的阻流特性研究
图２试验用仿真荷叶超声波多普勒测速仪（ＳｏｎＴｅｋＡＤＶ）测量，采样频率为５０Ｈｚ，采样时间为１２０ｓ，在水面附近和近底处垂向测点间距为０．５ｃｍ，其余测点间隔为１ｃｍ．对实测三维瞬时流速进行分析处理后获得τｖ和Ｕ值．本次试验对５组工况下的漂浮植被拖曳力和垂向流速进行了测量，各工况的试验参数见表１，其中：Ｑ为流量；Ｒ为水力半径；Ｕ为垂线平均流速；Ｌｖ为植被区长度；ｈ为植被区高度；ＲｅＬ为植被区长度雷诺数；水槽雷诺数Ｒｅ＝ＵＲ／υ（水温１５℃）．可见本次试验各工况的水流流态均为湍流（Ｒｅ＞５００）；已知边界层流动的临界雷诺数通常取５×１０５，则工况３～５靠近植被区末端的边界层流动已经不同程度地发展为湍流边界表１试验工况参数表工况Ｑ／（Ｌ·ｓ－１）Ｈ／ｃｍＲ／ｃｍＵ／（ｍ·ｓ－１）Ｌｖ／ｍｈ／ｃｍＲｅ／１０３ＲｅＬ／１０６１２．８１５．２６．０６０．０３７７．２０．５１．５９４０．１８９３０８２７．４１６．８６．５６０．０９１７．２０．５４．１９９０．４６０６４９３１１．７１８．２６．９８０．１３１７．２０．５６．５４８０．６７５１９７４１６．７１８．８７．１６０．１７６７．２０．５９．２８４０．９３３９１８５２１．２１９．８７．４４０．２１３７．２０．５１１．６７８１．１２９５３５层［２０］．３结果分析３．１阻力计算在进行拖曳力分析的过程中，由于构成植被区的１２片叶片连接紧密，叶片衔接处缝隙相对于植被区面积很小，因而本研究中将这一个整体看作一块长７．２ｍ
的关系见图３，由图可见：摩擦阻力随着水流流速的增大而增大，而压强阻力却与之相反，发生这种现象的原因在于摩擦阻力主要是受边界层内流速梯度影响，当边界层外流速增大时，边界层内的流速梯度增大，摩擦阻力随之增大；而压强阻力主要受植被区前段和末端的压强差影响，当ＲｅＬ＞５×１０５时，植被区边界层就有部分发展为湍流边界层，由于湍流的强烈混合效应，分离点位置更接近植被区尾部．这样，虽然摩擦阻力也增大了，但这种边界层分离点位置的后移将会使植被区前端和末端的压强差大幅降低，从而减小能量的消耗．因此可得出结论：漂浮植被摩擦阻力的大小与速度的平方成正比，而压强阻力的大小与流速的平方成反比．图３植被拖曳力及其分力与流速的关系图３．３阻力系数分析根据植被区长度雷诺数可知，工况３～５植被边界附近的边界层内已不再是单纯的层流流动，在植被区后半段已经有不同程度的发展为湍流边界层；工况２植被区后半段则介于层流边界层和湍流边界层之间．因此，表３分别给出了通过层流和湍流边界层理论计算所得黏滞阻力系数Ｃｌｆ（式（３））与Ｃｔｆ（式（４）），并将其与由实测水体与植被交界面上的摩擦力计算得到的Ｃ＊ｆ值进行比较．对表３进行分析可以发现：对工况１～２而言，层流边界层方法得到的Ｃｌｆ值均小于实测值Ｃ＊ｆ；湍流边界层充分发展的工况３～５实测Ｃ＊ｆ值约为层流与紊流边界层理论得到的黏滞阻力系数值之和，即Ｃ＊ｆ≈Ｃｌｆ＋Ｃｔｆ．且在同一ＲｅＬ下，Ｃｔｆ比Ｃｌｆ大得多，这是因为层流中的摩擦阻力只是不同流层表３黏
本文编号：2773890
【图文】：
流装置，确保水流平稳均匀地进入水槽中；在出口段设有可调节的尾门来控制水深，试验过程中保持流量恒定．为了减少尾门顶托作用对试验结果的影响，试验段选取在水槽的中间段（４．０～１１．２ｍ）．天然状态下，漂浮植被多以不规则形状斑块（或浮毯）的形式出现，为了体现这种天然布设形态，本次试验选取仿真荷叶来代表漂浮植被．试验段漂浮植被由１２片直径约为０．６ｍ的仿真荷叶组成，叶片间用细尼龙线进行连接．仿真荷叶以微漏斗型平铺水面，入水深度约为０．５ｃｍ．试验示意图见图１，试验用仿真荷叶见图２．图１中：θ为尼龙线与水面的夹角；Ｈ为水深；ｕｍａｘ为最大流速；Ｄ为仿真荷叶的直径；τｖ为仿真荷叶与水交界面处的切应力．流场采用三维图１试验布置示意图·１１１第·５期韩丽娟，等：漂浮植被的阻流特性研究
图２试验用仿真荷叶超声波多普勒测速仪（ＳｏｎＴｅｋＡＤＶ）测量，采样频率为５０Ｈｚ，采样时间为１２０ｓ，在水面附近和近底处垂向测点间距为０．５ｃｍ，其余测点间隔为１ｃｍ．对实测三维瞬时流速进行分析处理后获得τｖ和Ｕ值．本次试验对５组工况下的漂浮植被拖曳力和垂向流速进行了测量，各工况的试验参数见表１，其中：Ｑ为流量；Ｒ为水力半径；Ｕ为垂线平均流速；Ｌｖ为植被区长度；ｈ为植被区高度；ＲｅＬ为植被区长度雷诺数；水槽雷诺数Ｒｅ＝ＵＲ／υ（水温１５℃）．可见本次试验各工况的水流流态均为湍流（Ｒｅ＞５００）；已知边界层流动的临界雷诺数通常取５×１０５，则工况３～５靠近植被区末端的边界层流动已经不同程度地发展为湍流边界表１试验工况参数表工况Ｑ／（Ｌ·ｓ－１）Ｈ／ｃｍＲ／ｃｍＵ／（ｍ·ｓ－１）Ｌｖ／ｍｈ／ｃｍＲｅ／１０３ＲｅＬ／１０６１２．８１５．２６．０６０．０３７７．２０．５１．５９４０．１８９３０８２７．４１６．８６．５６０．０９１７．２０．５４．１９９０．４６０６４９３１１．７１８．２６．９８０．１３１７．２０．５６．５４８０．６７５１９７４１６．７１８．８７．１６０．１７６７．２０．５９．２８４０．９３３９１８５２１．２１９．８７．４４０．２１３７．２０．５１１．６７８１．１２９５３５层［２０］．３结果分析３．１阻力计算在进行拖曳力分析的过程中，由于构成植被区的１２片叶片连接紧密，叶片衔接处缝隙相对于植被区面积很小，因而本研究中将这一个整体看作一块长７．２ｍ
的关系见图３，由图可见：摩擦阻力随着水流流速的增大而增大，而压强阻力却与之相反，发生这种现象的原因在于摩擦阻力主要是受边界层内流速梯度影响，当边界层外流速增大时，边界层内的流速梯度增大，摩擦阻力随之增大；而压强阻力主要受植被区前段和末端的压强差影响，当ＲｅＬ＞５×１０５时，植被区边界层就有部分发展为湍流边界层，由于湍流的强烈混合效应，分离点位置更接近植被区尾部．这样，虽然摩擦阻力也增大了，但这种边界层分离点位置的后移将会使植被区前端和末端的压强差大幅降低，从而减小能量的消耗．因此可得出结论：漂浮植被摩擦阻力的大小与速度的平方成正比，而压强阻力的大小与流速的平方成反比．图３植被拖曳力及其分力与流速的关系图３．３阻力系数分析根据植被区长度雷诺数可知，工况３～５植被边界附近的边界层内已不再是单纯的层流流动，在植被区后半段已经有不同程度的发展为湍流边界层；工况２植被区后半段则介于层流边界层和湍流边界层之间．因此，表３分别给出了通过层流和湍流边界层理论计算所得黏滞阻力系数Ｃｌｆ（式（３））与Ｃｔｆ（式（４）），并将其与由实测水体与植被交界面上的摩擦力计算得到的Ｃ＊ｆ值进行比较．对表３进行分析可以发现：对工况１～２而言，层流边界层方法得到的Ｃｌｆ值均小于实测值Ｃ＊ｆ；湍流边界层充分发展的工况３～５实测Ｃ＊ｆ值约为层流与紊流边界层理论得到的黏滞阻力系数值之和，即Ｃ＊ｆ≈Ｃｌｆ＋Ｃｔｆ．且在同一ＲｅＬ下，Ｃｔｆ比Ｃｌｆ大得多，这是因为层流中的摩擦阻力只是不同流层表３黏
本文编号：2773890
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