变坡度变雨强下坡面流阻力特性时空分布研究

发布时间：2020-10-17 08:44

　　 坡面流是形成河道水流的主要组成部分,也是土壤侵蚀及泥沙输移的重要动力。研究坡面流,无论是对丰富和完善水力学理论,还是解决水土侵蚀等工程问题,都具有重要意义。为研究坡面薄层水流阻力规律,以室内人工降雨试验数据为基础,通过基于物理概念的分布式水文数值模型试验,在大坡度范围(5°-55°)和大雨强范围(30mm/h-240mm/h)内,虚拟150种工况,以Darcy-Weisbach阻力系数f为研究对象,定量的研究了阻力系数的时空分布规律,分析了雨强和坡度对阻力系数的影响以及阻力系数和雷诺数的关系,并从流速、水深、粘性底层厚度和能量的角度分析了原因。最后对数值模拟试验结果进行回归分析,得到了考虑坡面点的空间位置的阻力系数公式。研究显示:在坡度和雨强一定的前提下,在时间上,坡面流阻力系数呈减小趋势,最终趋于平稳,在空间上,向下游出口处,阻力系数沿程递减;阻力系数受雨强影响显著,在一定坡度下,雨强越大,阻力系数越小,阻力系数与雨强呈指数为负的函数关系;在一定雨强下,阻力系数与坡度基本呈正相关关系,且雨强越大,坡度对阻力系数的影响越弱;f-Re呈负相关关系。粘性底层厚度随坡度和雨强的增大而减小,总能量随雨强的增大显著增加,这是上述阻力系数变化规律的本质原因。本研究的创新点为:1)采用人工降雨物理模型试验数据和InHM分布式水文数值模型试验相结合的方法,实现了超大陡坡下的阻力特性研究,研究坡度最大可达55°;2)实现了定量的全坡面上阻力系数时空分布式研究。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S157;TV131
【部分图文】：

２．１．１试验装置??本文釆用的试验装置是由针管式模拟降雨系统、固定式液压升降试验土槽、径流收集??装置三部分组成。试验装置实物如图２．１所示，示意图如图２．２所示。其中，针管式模拟??降雨系统的雨滴发生器配有１?３００个间距为２．８?ｃｍ的针头注射器，针头直径约０．５８?＿，??雨滴发生器的降雨面积为ｌｍｘｌｍ，距离土槽垂直高度１２ｍ，以确保模拟降雨的雨滴末速??最大可能的接近天然降雨的雨滴末速。模拟降雨系统可以通过限流管控制流量进一步实现??控制雨强的作用，而且，雨滴发生器通过电机驱动，可以通过在轨道上的来回移动实现固??定降雨、移动降雨的多种情景的模拟，滑轨上以不同颜色标出固定距离（２０?ｃｍ）用以实??现不同的移动速度。固定式液压升降试验土槽可调节坡度，土槽尺寸为长５?ｍ，宽ｌｍ，??深０．５?ｍ，在模拟降雨试验中，为减少边界条件的影响，铺设的土壤的尺寸为长４?ｍ，宽１??ｍ，厚０．３?ｍ。在坡面下游出口处，放置一个金属容器，用于收集和测量径流。整套模型??装置的原型已经在国家自然科学基金青年

图２．２试验装置示意图??

参数饱和导水率ｆａ的率定，另外９场的试验数据用于验证。首先，以洪峰流量为对象，以??相关系数ｒ和纳什效率系数Ｅ为数值模拟效果优劣的衡量标准，率定阶段尺＝０．９８，五＝０．８２，??验证阶段，穴＝０．９２，?￡＝０．７４，如图２．３?（ａ）所示，说明参数率定可靠，模型模拟效果良好。??另外，由于本次阻力特性规律研究需要用到分布式精细化的数据，如坡面沿程的流速、水??深等，因此，为了保证数值模拟的结果的可靠度，用坡面流速数据（表２．４）对率定结果??做进一步验证。流速验证显示及＝０．８０，五＝０．５７，如图２．３?（ｂ）所示，进一步证明数值模拟??效果良好。??６Ｑ「?〇洪峰率定?／?０２＜ｉｒ?，??？洪峰验证?／?°＇２＇?？流速验证?／／??一?５０－——１：１线?／〇???１：１线?／??＾?１／＾?０?２０?－?／??３?４０?－?＾?Ｘ??＿?３?０．１５?－?？?！；？??痗?３０．?ｍ?？／?？?？?？??ｒ：?Ｘ?ｒ：：声??＞°－Ｘ?０?０５?；?Ｚ?？??０?＾￣１￣１￣￣１￣￣１￣￣１￣１￣１?０．００?￣１￣１￣１￣１￣１￣￣１￣１￣１￣１??０?１０?２０?３０?４０?５０?６０?０．００?０．０５?０．１０?０．１５?０．２０?０．２５??实测洪峰流量（ｍｌ／ｓ）?实测流速（ｍ／ｓ）??（ａ）洪峰流量率定验证?（ｂ）流速验证??图２．３洪峰流量及流速对ＩｎＨＭ模型参数（Ａｓ）的率定验证??２３??
【参考文献】

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本文编号：2844555