模拟降雨条件下坡面薄层水流水动力学特性及滚波演化规律

发布时间：2017-09-03 03:09

  本文关键词：模拟降雨条件下坡面薄层水流水动力学特性及滚波演化规律

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【摘要】：坡面薄层水流水动力学特性的研究,有助于构建土壤侵蚀模型、揭示土壤挟沙机理,但由于坡面流水深较浅,影响因素众多且相互交叉耦合,虽已有关于坡面流水动力学特性、滚波演化规律的研究成果问世,但存疑颇多。因此,本试验通过模拟降雨条件下的定床放水冲刷试验,系统而细致地研究了降雨强度、床面糙度、试验坡度、放水流量对坡面薄层水流的水动力学特性的影响,并给出该试验条件下滚波的特性参数随影响因素的发展演化规律。截至目前,取得的主要研究成果如下:1)本试验给出了坡面薄层水流流速测量新方法——摄影测量法,相对传统的流速测量方法,它的优势在于时间精度提高到了0.01s,重复测量稳定性高(组内变异系数范围0.013~0.035),适应环境性能好(组间变异系数范围0.0260~0.0775),便于野外测量,该技术将会推动坡面流流速测量技术的发展。2)在模拟降雨条件下,本试验的坡面薄层水流均属于急流,所处流态为层流、过渡流。随着雨强的逐渐增大,坡面流的弗汝德数逐渐增大,然而随着糙度的增大,坡面流的弗汝德数逐渐减小。同时,当糙度ks￡3.68时,随着糙度的逐渐增大,阻力系数逐渐增大,当ks37.50时,阻力系数不随糙度的增大而变化,基本上保持稳定。3)在模拟降雨条件下,坡面薄层水流的阻力系数随着雨强的增加而减小,即:雨强具有减阻作用,且光面条件下的减阻作用较加糙条件下明显。同时,无论是在光面还是人工加糙面时,滚波流都有产生和消失的现象,该临界值用粘深比表示为δ/h=0.3824、δ/h=0.5993,且随着糙度的逐渐减小,滚波的过渡扇形沿逆时针方向转动。4)在本实验条件下,用绕流雷诺数作为判别标准,坡面流处于过渡流状态,与传统雷诺数判别结果相比,水流向过渡流方向变化,更加符合试验现象。同时,本文还基于阻力分割的思想,将综合阻力理解为粘滞阻力、绕流阻力、降雨阻力三部分的代数和,给出了考虑雨强、糙度条件下坡面流阻力系数的计算新公式。5)在本试验条件下,随着雨强的增加,滚波的波速、波长增加,波频逐渐减小,而波高随雨强的变化则与糙度有关,在小糙度时,随雨强的增加而减小,大糙度时,随雨强的增加而增加;随着糙度的增加,滚波的波速、波长、波频都先增加后稳定,而仅有波高不随糙度的变化而变化,不受糙度的影响。
【关键词】：模拟降雨 坡面流 阻力特性 滚波流 摄影测量法
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV131.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景目的意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究目的意义12-13
• 1.2 国内外研究进展13-15
• 1.3 研究的内容15-16
• 1.3.1 研制坡面流流速测量的新系统15
• 1.3.2 探究模拟降雨对坡面薄层水流水动力学特性的影响15
• 1.3.3 研究模拟降雨条件下坡面滚波流演化规律15-16
• 1.4 研究方案16-23
• 1.4.1 研究方法16
• 1.4.2 技术路线16-17
• 1.4.3 试验仪器17-21
• 1.4.4 试验步骤21-23
• 第二章 摄影测量法测流速23-31
• 2.1 试验设计与方法23-27
• 2.1.1 试验要点23-24
• 2.1.2 试验概况24
• 2.1.3 新方法的原理及评价24-27
• 2.2 试验结果与分析27-29
• 2.2.1 坡面流测量稳定性检验27-29
• 2.2.2 测量精度检验29
• 2.3 小结29-31
• 第三章 坡面流水动力学特性研究31-51
• 3.1 试验方法31
• 3.1.1 试验要点31
• 3.1.2 试验概况31
• 3.2 理论分析31-32
• 3.3 试验结果与分析32-49
• 3.3.1 坡面薄层水流流型流态分析32-36
• 3.3.2 阻力系数与坡度的关系36-37
• 3.3.3 阻力系数与单宽流量的关系37-39
• 3.3.4 阻力系数与水深的关系39-40
• 3.3.5 阻力系数与雷诺数的关系40-41
• 3.3.6 阻力系数与弗汝德数的关系41-42
• 3.3.7 粗糙度和雨强对阻力的影响42-44
• 3.3.8 增阻机理44-48
• 3.3.9 阻力系数的通式48-49
• 3.4 小结49-51
• 第四章 滚波演化规律研究51-63
• 4.1 试验方法51
• 4.1.1 试验要点51
• 4.1.2 试验概况51
• 4.2 理论分析51-52
• 4.3 结果与分析52-61
• 4.3.1 滚波波速分析52-54
• 4.3.2 滚波波长分析54-57
• 4.3.3 滚波波高分析57-59
• 4.3.4 滚波聚合规律分析59-61
• 4.4 小结61-63
• 第五章 结论与展望63-65
• 5.1 结论63
• 5.2 展望63-65
• 参考文献65-68
• 致谢68-69
• 个人简介69

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本文编号：782482