河道中的植被水流可視為多孔介質(zhì)流動(dòng),可采用多孔介質(zhì)水流模型模擬流動(dòng)特征。本文基于自主開(kāi)發(fā)的帶有自由表面水流計(jì)算模型,耦合多孔介質(zhì)模型,建立了模擬植被水流的數(shù)值模型。水流模型基于靜壓假定的淺水流動(dòng)假設(shè),自由表面的捕獲采用垂向坐標(biāo)變換方法,植被區(qū)通過(guò)時(shí)空變化的孔隙率進(jìn)行模擬。并采用物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所開(kāi)發(fā)的多孔介質(zhì)水流模型進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明該模型適用于植被水流的宏觀效應(yīng)模擬,包括尾流區(qū)流動(dòng)特征等。在植被水流尾流場(chǎng)形態(tài)研究方面,多孔介質(zhì)模型計(jì)算效率較高,模擬精度有一定保證。該模型可進(jìn)一步應(yīng)用于大尺度植被水流運(yùn)動(dòng)特征的研究。 

【文章來(lái)源】：水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2019,34(04)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

計(jì)算域及模型示意圖Fig.1SketchofCalculationdomainandmodel

吳夢(mèng)瑤，等：基于多孔介質(zhì)模型的有限柱群繞流模擬4691()tVxxqFDDD(4)y+tyyyqquqvqgDxyy()(2+xyyxtHtHqqqfqxyxyy）1()tVyyqFDDD(5)式中，xyqqq、和為引入的新變量，xqDu，yqDv，qD；f2sin為科氏項(xiàng)；表示自由表面位置。是坐標(biāo)系下的垂向速度，其變換公式采用如下形式wuDvDDDxxDyy1DDtt(6)=1表示柱群區(qū)域的孔隙率，其中柱群外=1，F(xiàn)x和Fy是上一小節(jié)中討論的由植物引起的阻力項(xiàng)。上述控制方程的數(shù)值求解基于有限體積法（FVM），時(shí)間積分采用半隱式，對(duì)流項(xiàng)求解基于二階TVD格式，采用OpenMP語(yǔ)言庫(kù)進(jìn)行并行計(jì)算。1.3湍流模型本文采用Menter提出的(SST)k-[10]兩方程模型，k與滿足的控制方程如下：*()iijktkjjjDkukkSDtxxx(7)()iijttjjjDuDtxxx2121+21)jjkSFxx（(8)其中0.09，0.5，0.5k。柱群引起的湍動(dòng)能生成及耗散通過(guò)引入源匯項(xiàng)kS和S實(shí)現(xiàn)，即kfkiiSCFu，/fiiSCFuk，其中5/9，Cfk=0.05，Cfω=0.16。2模型驗(yàn)證及結(jié)果分析2.1幾何模型利用Zong和Nepf[2]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。平面計(jì)算域如圖1所示，水槽長(zhǎng)為13m，寬B為1.2m，深度H為13.3cm。柱群位于水槽中心線上，柱群的直徑D，單個(gè)圓柱的直徑為0.6cm。X、Y和Z軸分別代表流向、橫向以及垂向。入口處采用流量邊界條件設(shè)置為均勻來(lái)流，-1u9.80.5cms；出口采用水位邊界條件。圖1計(jì)算域及模型示意圖Fig.1SketchofCalculationdomainandmodel2.2來(lái)流垂向速度驗(yàn)證在Zong和Nepf[2]的實(shí)驗(yàn)中定義底床摩擦力系數(shù)Cf*22U/U，其中U*為床面剪切速度，U為水深平均速度，因此Cf=0.006。在淺水流動(dòng)中，如果穩(wěn)定性系數(shù)/fSCDh大于0.2，則底床摩擦力可能會(huì)抑制多孔介質(zhì)區(qū)域下游的

水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯2019年第4期470介質(zhì)區(qū)域及其附近區(qū)域網(wǎng)格分辨率較高；同時(shí)為了有效提高計(jì)算效率，在遠(yuǎn)離多孔區(qū)域劃分粗網(wǎng)格。本文采用三種不同分辨率的網(wǎng)格驗(yàn)證了網(wǎng)格收斂性，進(jìn)而選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算網(wǎng)格。計(jì)算域局部網(wǎng)格劃分如圖3所示。三種網(wǎng)格參數(shù)如表1所示。圖3局部網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3sketchofpartmeshing表1網(wǎng)格尺寸參數(shù)Table1.Theparametersofgridsize網(wǎng)格I網(wǎng)格II網(wǎng)格III總網(wǎng)格數(shù)76615610830361186702多孔區(qū)域網(wǎng)格數(shù)550071008000最小網(wǎng)格尺寸/mm321.7本節(jié)驗(yàn)證網(wǎng)格收斂性的工況為：柱群的直徑D22cm，均勻來(lái)流U9.8cm/s，固體體積分?jǐn)?shù)0.1。將本文的多孔介質(zhì)模型計(jì)算結(jié)果與Zong和Nepf[2]及YU等[6]的多體模型計(jì)算值進(jìn)行了比對(duì)。圖4給出了不同網(wǎng)格模擬結(jié)果的對(duì)比。與實(shí)驗(yàn)相應(yīng)，提取軸線上h/H=0.5位置處的時(shí)均流速，與實(shí)測(cè)值比較，如圖4所示。基于網(wǎng)格I的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在著較大的誤差，基于網(wǎng)格II、III的模擬結(jié)果接近，計(jì)算網(wǎng)格滿足一定的收斂性。綜合模擬精度及計(jì)算效率等因素，本文后續(xù)計(jì)算選擇網(wǎng)格II。圖4網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果Fig.4Gridindependenceverificationresults2.4模型驗(yàn)證及結(jié)果分析2.4.1時(shí)均流場(chǎng)特性分析參考Zong和Nepf[2]的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證流向時(shí)均速度U(Y0、Hh5.0/)，側(cè)向時(shí)均流速V(DY2/、Hh5.0/)。圖5(b)和圖6(b)顯示，橫向流動(dòng)現(xiàn)象從距離柱群上游D處開(kāi)始發(fā)生，這與Rominger和Nepf[11]的結(jié)論一致。水流流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域會(huì)在多孔介質(zhì)區(qū)域兩側(cè)形成剪切層，沿流向逐漸向中軸線擴(kuò)展，且當(dāng)兩個(gè)剪切層相交會(huì)在中?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]水生植物對(duì)河道形態(tài)影響的三維湍流模型[J]. 劉誠(chéng),沈永明.  水利學(xué)報(bào). 2010(02)

碩士論文
[1]植物對(duì)河道水流特性的影響研究[D]. 劉彥東.天津大學(xué) 2014



本文編號(hào)：3063541