【摘要】：為了定量研究漂浮植被的阻流特性,采用電子應(yīng)力計(jì)對(duì)漂浮植被的拖曳力進(jìn)行測(cè)量,基于邊界層理論對(duì)其受到的拖曳力進(jìn)行計(jì)算分析,并將實(shí)測(cè)的植被-水體交界面處切應(yīng)力與基于邊界層理論計(jì)算得到的拖曳力值進(jìn)行了對(duì)比分析.研究結(jié)果表明:在充分發(fā)展的湍流邊界層中,將邊界層理論用于分析漂浮植被拖曳力是可行的;漂浮植被摩擦阻力的大小與速度的平方成正比,而壓強(qiáng)阻力的大小與流速的平方成反比;植被拖曳力系數(shù)由植被區(qū)長(zhǎng)度雷諾數(shù)和植被區(qū)高度雷諾數(shù)共同決定.
【圖文】：

流裝置，確保水流平穩(wěn)均勻地進(jìn)入水槽中；在出口段設(shè)有可調(diào)節(jié)的尾門(mén)來(lái)控制水深，試驗(yàn)過(guò)程中保持流量恒定．為了減少尾門(mén)頂托作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)段選取在水槽的中間段（４．０～１１．２ｍ）．天然狀態(tài)下，漂浮植被多以不規(guī)則形狀斑塊（或浮毯）的形式出現(xiàn)，為了體現(xiàn)這種天然布設(shè)形態(tài)，本次試驗(yàn)選取仿真荷葉來(lái)代表漂浮植被．試驗(yàn)段漂浮植被由１２片直徑約為０．６ｍ的仿真荷葉組成，葉片間用細(xì)尼龍線進(jìn)行連接．仿真荷葉以微漏斗型平鋪水面，入水深度約為０．５ｃｍ．試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖１，試驗(yàn)用仿真荷葉見(jiàn)圖２．圖１中：θ為尼龍線與水面的夾角；Ｈ為水深；ｕｍａｘ為最大流速；Ｄ為仿真荷葉的直徑；τｖ為仿真荷葉與水交界面處的切應(yīng)力．流場(chǎng)采用三維圖１試驗(yàn)布置示意圖·１１１第·５期韓麗娟，等：漂浮植被的阻流特性研究

圖２試驗(yàn)用仿真荷葉超聲波多普勒測(cè)速儀（ＳｏｎＴｅｋＡＤＶ）測(cè)量，采樣頻率為５０Ｈｚ，采樣時(shí)間為１２０ｓ，在水面附近和近底處垂向測(cè)點(diǎn)間距為０．５ｃｍ，其余測(cè)點(diǎn)間隔為１ｃｍ．對(duì)實(shí)測(cè)三維瞬時(shí)流速進(jìn)行分析處理后獲得τｖ和Ｕ值．本次試驗(yàn)對(duì)５組工況下的漂浮植被拖曳力和垂向流速進(jìn)行了測(cè)量，各工況的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表１，其中：Ｑ為流量；Ｒ為水力半徑；Ｕ為垂線平均流速；Ｌｖ為植被區(qū)長(zhǎng)度；ｈ為植被區(qū)高度；ＲｅＬ為植被區(qū)長(zhǎng)度雷諾數(shù)；水槽雷諾數(shù)Ｒｅ＝ＵＲ／υ（水溫１５℃）．可見(jiàn)本次試驗(yàn)各工況的水流流態(tài)均為湍流（Ｒｅ＞５００）；已知邊界層流動(dòng)的臨界雷諾數(shù)通常取５×１０５，則工況３～５靠近植被區(qū)末端的邊界層流動(dòng)已經(jīng)不同程度地發(fā)展為湍流邊界表１試驗(yàn)工況參數(shù)表工況Ｑ／（Ｌ·ｓ－１）Ｈ／ｃｍＲ／ｃｍＵ／（ｍ·ｓ－１）Ｌｖ／ｍｈ／ｃｍＲｅ／１０３ＲｅＬ／１０６１２．８１５．２６．０６０．０３７７．２０．５１．５９４０．１８９３０８２７．４１６．８６．５６０．０９１７．２０．５４．１９９０．４６０６４９３１１．７１８．２６．９８０．１３１７．２０．５６．５４８０．６７５１９７４１６．７１８．８７．１６０．１７６７．２０．５９．２８４０．９３３９１８５２１．２１９．８７．４４０．２１３７．２０．５１１．６７８１．１２９５３５層［２０］．３結(jié)果分析３．１阻力計(jì)算在進(jìn)行拖曳力分析的過(guò)程中，由于構(gòu)成植被區(qū)的１２片葉片連接緊密，葉片銜接處縫隙相對(duì)于植被區(qū)面積很小，因而本研究中將這一個(gè)整體看作一塊長(zhǎng)７．２ｍ

的關(guān)系見(jiàn)圖３，由圖可見(jiàn)：摩擦阻力隨著水流流速的增大而增大，而壓強(qiáng)阻力卻與之相反，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因在于摩擦阻力主要是受邊界層內(nèi)流速梯度影響，當(dāng)邊界層外流速增大時(shí)，邊界層內(nèi)的流速梯度增大，摩擦阻力隨之增大；而壓強(qiáng)阻力主要受植被區(qū)前段和末端的壓強(qiáng)差影響，當(dāng)ＲｅＬ＞５×１０５時(shí)，植被區(qū)邊界層就有部分發(fā)展為湍流邊界層，由于湍流的強(qiáng)烈混合效應(yīng)，分離點(diǎn)位置更接近植被區(qū)尾部．這樣，雖然摩擦阻力也增大了，但這種邊界層分離點(diǎn)位置的后移將會(huì)使植被區(qū)前端和末端的壓強(qiáng)差大幅降低，從而減小能量的消耗．因此可得出結(jié)論：漂浮植被摩擦阻力的大小與速度的平方成正比，而壓強(qiáng)阻力的大小與流速的平方成反比．圖３植被拖曳力及其分力與流速的關(guān)系圖３．３阻力系數(shù)分析根據(jù)植被區(qū)長(zhǎng)度雷諾數(shù)可知，工況３～５植被邊界附近的邊界層內(nèi)已不再是單純的層流流動(dòng)，在植被區(qū)后半段已經(jīng)有不同程度的發(fā)展為湍流邊界層；工況２植被區(qū)后半段則介于層流邊界層和湍流邊界層之間．因此，表３分別給出了通過(guò)層流和湍流邊界層理論計(jì)算所得黏滯阻力系數(shù)Ｃｌｆ（式（３））與Ｃｔｆ（式（４）），并將其與由實(shí)測(cè)水體與植被交界面上的摩擦力計(jì)算得到的Ｃ＊ｆ值進(jìn)行比較．對(duì)表３進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)工況１～２而言，層流邊界層方法得到的Ｃｌｆ值均小于實(shí)測(cè)值Ｃ＊ｆ；湍流邊界層充分發(fā)展的工況３～５實(shí)測(cè)Ｃ＊ｆ值約為層流與紊流邊界層理論得到的黏滯阻力系數(shù)值之和，即Ｃ＊ｆ≈Ｃｌｆ＋Ｃｔｆ．且在同一ＲｅＬ下，Ｃｔｆ比Ｃｌｆ大得多，這是因?yàn)閷恿髦械哪Σ磷枇χ皇遣煌鲗颖恚仇?

本文編號(hào)：2773890