不同尺度密集粗糙与植被床面明渠流流场与总流特性研究

发布时间：2021-01-25 02:59

　　自然界及工程实际中的明渠床面均有不同形式与不同尺度的粗糙度,如细沙床面、卵石河床、植被河床等。对其流场特性（时均流速、时均压强、雷诺应力、紊动能等）与总流特性（断面平均流速、过流能力、总流能量损失等）的研究均有重要意义。在以往的研究中,流场描述和总流描述之间没有建立统一的关系;同时,不同粗糙尺度条件下的流动特性有明显区别,需要采用不同的描述方法对其流场及总流特征量进行研究。本文通过理论分析、数值模拟和水槽实验的方式对三种尺度条件下的明渠流进行了研究,得到如下成果:1)从粘性不可压缩流体运动的理论出发,分别构建了层、紊流状态下恒定均匀明渠流的总流积分模式,导出了新的总流能量方程,并给出了总流能量损失及糙率系数与流场特征量（时均流速、雷诺应力等）之间的显式关系式。并从机制上将总流能量损失细分为分子粘性耗散及维持紊动两部分。2)分别对层、紊流条件下的小尺度粗糙壁面的明渠流流场及总流特性进行了研究。从明渠层流的运动方程出发,通过理论分析得到了矩形断面明渠层流流场及总流能量损失的解析解,成果表明,流速分布和总流能量损失系数均是断面宽深比和雷诺数的函数,且随宽深比的增加而趋于不变。采用紊流模型对壁... 

【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：138 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．２几种典型粗糙尺度条件下的纵向流速剖面，Ａ为垂向距离，Ｗ１为纵向时??

Ｓａｎｊｏｕ，?２０１１；吴福生，２００９）。??与前面讨论的粗糙床面流动相比，植被河床边界要更加复杂。典型的植被河??道如图１．４所示，在河道尺度上，植被是成片状分布在河道中，由于植被对水流??的阻挡作用，水流区与植被区的流场特性有所不同，相互之间的动量交换使得河??道的总流特性有一定变化，表现为总流能量损失与河道的糙率系数明显增加。在??前面两小节的一系列公式中，描述粗糙元的尺度时，仅需采用其粒径相关参数（如??当量粗糙度，Ａ，和典型级配粒径，乃８４等）作为长度尺度，而植被的特性则复??杂得多，其主要表现为多尺度特性。具体来讲，在沿水流方向一定长度，且包含??整个河道横断面这一区域尺度上，植被特性主要为其片区分布特征、占据河道的??阻水率；而在单个植被片区内（定义为局域尺度），植被特性则包括茎杆的分布，??植被茎杆高度、直径

Ｓａｎｊｏｕ，?２０１１；吴福生，２００９）。??与前面讨论的粗糙床面流动相比，植被河床边界要更加复杂。典型的植被河??道如图１．４所示，在河道尺度上，植被是成片状分布在河道中，由于植被对水流??的阻挡作用，水流区与植被区的流场特性有所不同，相互之间的动量交换使得河??道的总流特性有一定变化，表现为总流能量损失与河道的糙率系数明显增加。在??前面两小节的一系列公式中，描述粗糙元的尺度时，仅需采用其粒径相关参数（如??当量粗糙度，Ａ，和典型级配粒径，乃８４等）作为长度尺度，而植被的特性则复??杂得多，其主要表现为多尺度特性。具体来讲，在沿水流方向一定长度，且包含??整个河道横断面这一区域尺度上，植被特性主要为其片区分布特征、占据河道的??阻水率；而在单个植被片区内（定义为局域尺度），植被特性则包括茎杆的分布，??植被茎杆高度、直径

【参考文献】：
期刊论文
[1]Theoretical analysis and numerical simulation of mechanical energy loss and wall resistance of steady open channel flow[J]. 刘士和,薛娇.  Journal of Hydrodynamics. 2016(03)
[2]卵石河床中底栖动物垂向分布特征及影响因素[J]. 徐梦珍,王兆印,潘保柱,赵娜.  清华大学学报(自然科学版). 2014(08)
[3]南水北调中线工程总干渠糙率综合论证[J]. 王光谦,黄跃飞,魏加华,吴保生.  南水北调与水利科技. 2006(01)
[4]混凝土渠道糙率调研综述[J]. 曾祥,黄国兵,段文刚.  长江科学院院报. 1999(06)
[5]边壁加糙对切变湍流相干结构的作用[J]. 梁在潮,刘士和.  水动力学研究与进展. 1987(02)
[6]明渠和管道中紊流各流区的统一规律[J]. 窦国仁.  水利水运科学研究. 1980(01)

博士论文
[1]含植物明渠水动力特性研究[D]. 吴福生.南京水利科学研究院 2009



本文编号：2998426