【摘 要】
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本文通过水槽试验和数值模拟,对含有高度在空间上存在变化的刚性沉水植物明渠水流展开研究。研究主要围绕明渠水流的流速分布、紊动特性、紊动结构、阻力特性展开。在实验室水槽底部铺设模拟刚性沉水植物,植物高度由0cm、3cm、6cm、9cm四种高度按均匀分布随机排列。使用PIV设备进行流速测量,得到了在不同的来水流量和植物密度条件下的纵向流速分布、垂向流速分布。在植物顶端高度以下,纵向流速很小,在植物顶端高
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本文通过水槽试验和数值模拟,对含有高度在空间上存在变化的刚性沉水植物明渠水流展开研究。研究主要围绕明渠水流的流速分布、紊动特性、紊动结构、阻力特性展开。在实验室水槽底部铺设模拟刚性沉水植物,植物高度由0cm、3cm、6cm、9cm四种高度按均匀分布随机排列。使用PIV设备进行流速测量,得到了在不同的来水流量和植物密度条件下的纵向流速分布、垂向流速分布。在植物顶端高度以下,纵向流速很小,在植物顶端高度附近纵向流速突变,对高度变化的植物,会形成多个流速层,在植物密度较小时更加明显。流量变化对流速分层的影响有限。对于垂向流速,含刚性沉水植物水流在植物层的垂向流速比无植物的明渠水流要大,植物高度高矮不同时各个水深的垂向流速几乎都比单一高度植物时要大,尤其是在植物层中垂向流速达到最大值时表现得更加明显。当流量或植物密度增大时,植物层的垂向流速明显增大。刚性沉水植物会改变水流的紊动分布特性。在植物顶端高度附近会形成紊动强度、雷诺应力等紊动量的峰值点,此高度的水流紊动较其以上或以下高度更强。当水中含有不同高度植物时,会形成多个紊动量峰值点,其中,较低矮植物顶端高度附近的紊动峰值较高大植物顶端高度附近的紊动峰值要弱。各紊动量都会随植物密度的增大而增大。当植物密度较小时,植物高度变化造成的分层效应会更加明显,紊动强度的最大峰值会随着植物密度的减小而向下移动。采用象限分析法分析了各工况水流的紊动结构。试验结果表明,在无植物的明渠水流紊动中,喷射和下扫流态在全水深都占据主导,且喷射流态对雷诺应力贡献值要大于下扫流态。当水流受到刚性沉水植物影响时,水流的流态由水底至水面可分为三层。对具有单一高度的植物,在植物顶端高度以下,四种流态差别较小,从植物顶端附近至植物高度3倍处喷射和下扫流态占据主导,且下扫流态比喷射流态对雷诺应力贡献值要大,当流量增大时,上述现象更加显著,当植物密度减小时,下扫流态和喷射流态的主导范围向下延伸。当植物在空间上存在高度变化时,紊动结构与植物高度不变时类似,但由于多层植物对水流的扰动,使得下层的紊动结构层次更复杂。使用Fluent软件,采用雷诺应力紊流模型,选用VOF方法追踪自由水面,利用多孔介质模型,对含高度变化的刚性沉水植物明渠水流进行数值模拟,研究了沉水植物的阻力特性。计算表明,刚性沉水植物会增大渠道糙率,增大水力坡度,造成水位雍高。植物密度越大,水力坡度越大,糙率越大。水力坡度随来水流量的增大而增大,糙率随来水流量的增大而增大。计算得到了含高度变化的刚性沉水植物水流切应力和特征糙度的对数关系表达式。
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