孔隙率沿水深变化的植被水流水动力学特性研究

发布时间：2020-10-22 03:29

　　 水生植被于自然界中广泛存在,是河流生态系统中非常重要的组成部分。水生植被不仅影响着河流生态系统健康,而且能够抵御水流对河床与边坡冲刷,起到维护河床稳定与保护河岸边坡的作用。因此,在环境水力学领域内,植被水流的水动力学特性已经成为了一个研究重点。在之前的刚性植被水流模拟研究中,学者们选用圆柱形木棒近似地模拟水生植被,然而本文以实际水流中茎秆粗细变化的植被作为研究对象,通过采用理论推导,水槽试验与数值计算三者相结合的方式研究了生态特征沿垂向变化的植被对水流的水动力学特性影响,所得到的主要成果如下:基于植被水流和多孔介质流的相似性,本文将河道中的水生植被视为固体骨架,并引入多孔介质理论对植被水流进行研究。首先,采用Biot多孔弹性理论得到了植被密度沿水深变化时植被水流的控制方程。在研究的过程中,引入了多孔介质的相关参数:孔隙率,迂曲度和渗透率来描述植被水流的流动特性。本文详细研究水生植被沿垂向变化的生态特征,建立了植被水流孔隙率与植被截面形状、竿茎粗细、水深等的函数关系式,并以此来表征由植被竿茎粗细引起的垂向植被密度变化。采用迂曲度与渗透率来表征水生植被对水流传导运动的影响。然后假设紊动粘性系数与水深满足线形函数关系,提出了一个新的紊流模型,并采用试验数据,代数应力模型以及雷诺切应力模型验证这个紊流模型的准确性与合理性,结果表明新的紊动模型能够准确、合理地表达水流中的紊动特性。最后,通过修改控制方程中的紊动项与密度变化项,得到不同工况下的植被水流控制方程,证明本文提出的控制方程具有极广泛的适用性,可以用于各种工况下植被水流研究。采用有限分析法对控制方程进行求解,根据不同情况下的边界条件,分别得到了挺水植被水流与淹没植被水流流速的有限分析解。其中,对于淹没植被水流分为上层纯水区与下层植被区分别进行求解。根据孔隙介质中水流运动机理和植被水流试验数据分析,提出了相对最优的渗透率计算公式,此公式在一定范围内具有较高的精度,能够满足不同工况下淹没植被水流的水动力学特性研究。在水槽试验中,选用圆台型木棒模拟垂向生态特征变化的水生植被,通过改变流量与植被密度分别对挺水植被水流与淹没植被水流流速进行测量,并将测量结果进行时间与空间平均化处理,以确保试验数据的准确性。然后将实测结果与流速分布的有限分析解进行对比,结果证明试验数据与计算结果能够很好地吻合,说明本文提出的控制方程与计算方法能够准确预测出孔隙率沿水深变化的植被水流的流速分布。此外,基于标准的K-ε模型,采用开源软件OpenFOAM不可压缩粘性流体模块下的inter FOAM求解器对孔隙率变化的挺水植被水流流速进行了计算。数值模拟的结果与有限分析解具有相同的变化趋势且可以较好的吻合,进一步证明本文得到的流速有限分析解能够很好的预测出实际植被水流中的流速分布。分别将流量、植被密度以及紊动系数当作变量来讨论变化的孔隙率对植被水流的影响。可以看出流量仅改变植被水流的流速大小,而植被密度则影响孔隙率变化范围,不仅改变植被的大小,又影响流速的分布。同时研究发现,与植被紊流相比,沿水深变化的孔隙率对植被层流的影响要更加明显。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TV133
【部分图文】：

孔隙率沿水深变化的植被水流水动力学特性研究二章孔隙率沿水深变化的植被水流控制方介质是由固体骨架和大量密集的化隙所构成的物质，其内部结构特的河道很相似。因此本文将植被水流模拟为多孔介质流，在此基拙动力学特性进行研巧。由于在研究过程中引入了多孔介质的相关参介质进行简单的介绍。??介质流动??孔介质简介??

孔隙率沿水深变化的植被水流水动力学特性研充在河床上，孔隙连续且不存在滞留孔隙，所Ｗ有效孔隙体积即为孔隙总体积，＝?（Ｖｐ％。??．４迂曲度??迂曲度是一个微观参数，表征了多孔介质中毛细管道的弯化程度，定义为流度与样品长度的比值：??Ｔ。二气?（２中，ｒ〇为多孔介质的弯曲度，为无景纲，心为流动路巧的＆度，Ｌ样品的民度。曲度越窩，ｒ〇越大。如图２－２可Ｗ看出多孔介质中的弯曲孔巧结构非常复杂，路径具巧随机性与不规则性，所Ｗ想耍准确地测量迂曲度非巧困她，通巧采用法与数値模拟确定迂曲度。??

ｙｙ??Ｋ为卡口通用常数。??此奈流切应力为：??２?２?ｄｕ了１?二?ｐＫ?ｙ?—＼ｄｙ）??似的零方程模型还有假设奈动枯巧系数与水深为线性函数、二次函数，其表达式分别为：??ｔ，＝Ｐｐｎ?ｄｙ??￣Ｔ￣＼ｈ）?ｄｙ??奸?１－引矣／ｚ?Ｙ?ｈ?Ｊ?ｄｙ??公为案动系数，单位为ｍ２／ｓ。??模型验证??１．０?Ｉ?１?１?■?Ｉ?！?Ｉ?ｎ?Ｔ??
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本文编号：2851030