含刚性植被明渠水流水动力学特性的研究

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植被与水流之间的相互作用是水生态系统中重要的研究内容。植被不仅可以维护水生态系统及其物种多样性,也对生态修复、水质净化和泥沙输移产生了重要影响。本文采用水力学试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,探讨了含淹没刚性植被水流的水动力学特性。试验中采用塑料尼龙棒模拟刚性植被,利用声学多普勒流速仪对水位、流速等进行测量,主要研究了植被淹没度和排列方式对水位、流速、能量、紊流强度分布规律的影响。研究结果如下:(1)沿程水位分布规律为先增大后减小;相同植被布设方式,植被最高水位与最低水位的差值随淹没度增大而减小;相同淹没度,水位变化幅度与水面线曲率均随植被布设间距的增大而减小。(2)平均流速分布趋势为沿程逐渐下降;相同植被布设方式,沿程流速最大值和流速最小值的差值随淹没度增大而减小;相同淹没度,流速减小幅度随植被布设间距的增大而减小。垂向流速分为上部区、过渡区和底部区,底部区流速基本保持不变,过渡区流速线性增长,上部区流速为对数分布规律;相同布设方式,垂向流速随植被淹没度的增加而增大,流速增幅随植被淹没度的增加而减小;相同淹没度,垂向流速和流速增幅随植被布设间距的增大而增大。(3)水流总能量沿程逐渐下降;相同布设方式,沿程能量耗散量和耗散率均随植被淹没度的增加而减小;相同淹没度,沿程能量耗散量和耗散率均随植被布设间距的增大而减小。垂向能量分布:水流提供的总能量等于能量耗散和能量转移之和;在底部区,水流提供的总能量小于耗散的能量;在植被与水流交界面处,能量交换程度最剧烈,耗散值和转移值均达到最大;在上部自由水层,能量耗散减小,能量提供大于能量耗散;相同布设方式,水流之间的能量交换剧烈程度随着淹没度的增大而减弱。相同淹没度下,水流之间的能量交换剧烈程度随植被布设间距的减小而增强。(4)水流紊流强度值在横向、纵向和垂向三个方向均呈增大趋势,且垂向<横向<纵向;相同布设方式,相对紊流强度值随淹没度增大而减小;相同淹没度,相对紊流强度值随着布设间距的减小而增大。本文采用ICEM建立了刚性植被水流有限元模型,采用FLUENT模拟了水位、流速和涡量分布,将模拟结果与试验结果对比分析,结果显示,模拟计算结果与实测值吻合良好。
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