植物是水生態(tài)系統(tǒng)必不可少的組成部分,有必要去研究植物對水流結(jié)構(gòu)的影響,越來越多的研究者關(guān)注這一基礎(chǔ)研究。本文較系統(tǒng)地闡述了國內(nèi)外對含植物明渠水流問題的物理試驗研究和數(shù)值模擬研究進(jìn)展情況,在此基礎(chǔ)之上,利用粒子圖像流速儀(PIV)對含剛性沉水植物明渠的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了室內(nèi)試驗研究,分析了不同植物密度、不同來流流量以及不同相對水深條件下流速、紊動強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力以及渦量強(qiáng)度的分布特點。本文還利用流體計算軟件FLUENT,采用雷諾應(yīng)力紊流模型,VOF方法捕捉自由水面,將植物帶區(qū)域概化為多孔介質(zhì)區(qū)域,對含剛性沉水植物明渠二維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要研究成果有:(1)無植物時平均流速沿垂線呈對數(shù)分布規(guī)律,有植物存在時流速沿垂線的分布呈現(xiàn)明顯的分區(qū)分布特性。這種分區(qū)分布特性與植物的種植密度、相對水深以及來流流量等因素有關(guān)。相對水深較大時,平均流速沿垂線的分布規(guī)律適合二區(qū)分布;相對水深較小時,平均流速沿垂線的分布規(guī)律更適合三區(qū)分布。每個分區(qū)的流速分布特點不一樣,Ⅰ區(qū)流速為一比較小的數(shù)值,Ⅱ區(qū)流速隨著水深的增加而增大,Ⅲ區(qū)的流速保持一比較大的數(shù)值幾乎不變。相對水深越大,Ⅲ區(qū)的范圍越大,流速最大值也越大。Ⅱ區(qū)的流速梯度以及所達(dá)到的流速最大值都隨著密度或流量的增大而增大。本文根據(jù)流速分區(qū)分布的特點和前人的研究成果,針對植物上方的流速提出了新的經(jīng)驗表達(dá)式,由經(jīng)驗公式計算的流速與實測值吻合較好。(2)無植物時紊動強(qiáng)度值沿水深方向變化不大;有植物存在時在植物冠層處紊動最劇烈,紊動強(qiáng)度值最大,靠近水面處,紊動強(qiáng)度較小,變化亦較小。來流流量或植物密度越大,植物冠層處的紊動強(qiáng)度也就越大,紊動強(qiáng)度由最大值減小到最小值的區(qū)域受到植物密度的影響較大。相對水深比較小時,紊動強(qiáng)度在植物冠層達(dá)到最大值后逐漸減小至水面處;相對水深比較大時,紊動強(qiáng)度在水面下方一定距離減小至最小值,而后保持這一數(shù)值變化不大,相對水深越大紊動強(qiáng)度變化不大的范圍也越大。雷諾切應(yīng)力的分布規(guī)律與紊動強(qiáng)度相似。(3)隨著流量的增加,植物冠層處的渦量強(qiáng)度也越大。植物冠層附近渦量強(qiáng)度受流量的影響較大,而在水面附近和植物帶內(nèi)部渦量強(qiáng)度受流量的影響較小。植物密度對渦量強(qiáng)度的影響規(guī)律不是很明顯。相對水深比較小時,渦量強(qiáng)度在植物冠層處達(dá)到反向最大值,而后數(shù)值一直減小到水面處,相對水深比較大時,渦量強(qiáng)度在水而下方一定距離減小到最小值,而后渦量強(qiáng)度的數(shù)值大小變化不大。(4)本文用多孔介質(zhì)區(qū)域代替剛性沉水植物,選取雷諾應(yīng)力紊流模型,采用VOF法捕捉自由水面,建立的數(shù)學(xué)模型是可靠的,能夠較好的模擬含剛性沉水植物水流運(yùn)動。
【學(xué)位單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TV133
【部分圖文】：

Ｗ．Ｖ０ｉｖ??是植物頂部的摩阻流速；／？為植物內(nèi)區(qū)和外區(qū)交界面的混ｋｎｅｃｈｔＰｌ將整個植物帶區(qū)域看作是粗糙的砂礫床面，采用曲后的平均高度化．作為長度尺度，綜合測量數(shù)據(jù)也得出�。絹Aｌｎ｜＾）?＋?８．５ｕ．?ｋ?｛?ｈｉｖ?Ｊ??研究含淹沒柔性植物明渠的水力特性時，以羽毛作為模擬物外區(qū)水流流速的表達(dá)公式。??—＝—Ｉｎ?１?＋?ａＫ?—?—?１?＋」＾Ｗ－ｖ?Ｋ?Ｌ?ＶＡｉｖ?）＼??／２為植被頂端的摩阻流速，為水面至植被頂端的。??▽?，???

揚(yáng)州大學(xué)碩士學(xué)位論文植被區(qū)域上面水體層，滿足另一個對數(shù)律。流速分區(qū)劃分示意圖見圖１－２０．０５時，第二個區(qū)域和第三個區(qū)域滿足的對數(shù)律相同，可以將這兩個區(qū)。??ｉｋｉｍ等＿指出流速沿水深方向的分布可以劃分成三個區(qū)域：（丨）從槽底頂端位置的區(qū)域，這一區(qū)域的流速分布符合冪律；（２）植物彎曲后頂端頂端一定高度的區(qū)域，滿足線性規(guī)律；（３）略高于植物頂端一定高度至流速分布規(guī)律與所采用的無量綱化尺度相關(guān)，流速分布滿足對數(shù)律或冪示意圖見圖１－３。??▽????

??數(shù)律；（３）植被區(qū)域上面水體層，滿足另一個對數(shù)律。流速分區(qū)劃分示意圖見圖１－２。當(dāng)?shù)??坡坡度大于０．０５時，第二個區(qū)域和第三個區(qū)域滿足的對數(shù)律相同，可以將這兩個區(qū)域合并??為一個區(qū)域。??Ｅｉ－Ｈａｉｋｉｍ等＿指出流速沿水深方向的分布可以劃分成三個區(qū)域：（丨）從槽底至柔性??植物彎曲后頂端位置的區(qū)域，這一區(qū)域的流速分布符合冪律；（２）植物彎曲后頂端位置到??略高于植物頂端一定高度的區(qū)域，滿足線性規(guī)律；（３）略高于植物頂端一定高度至水面位??置，該區(qū)域流速分布規(guī)律與所采用的無量綱化尺度相關(guān)，流速分布滿足對數(shù)律或冪律。流??速分區(qū)劃分示意圖見圖１－３。??▽????對數(shù)律或幕律?／??ｙ?線性律結(jié)束位置??■植物彎ｉｔｉｉ后平均峨??圖１－３?Ｅｉ－Ｈａｉｋｉｍ流速三區(qū)劃分示意圖??Ｖ?丨????紊動強(qiáng)度分布曲線?流速分布曲線?ｉｎ區(qū)??－－－４＾：—－－???Ｌ?Ｙ、???Ｉ區(qū)??＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼．＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼??圖ｌ－４Ｆ．Ｇ．Ｃａｒｏｌｌｏ流速三區(qū)劃分示意圖??Ｆ．Ｇ．Ｃａｒｏｌｌｏ等＿利用聲學(xué)多普勒流速儀對含淹沒柔性植物水流的縱向流速進(jìn)行了測量，??結(jié)合紊動強(qiáng)度的分布規(guī)律來研究流速分布的分區(qū)劃分（如圖１－４所示），以紊動強(qiáng)度變化范??圍最大的區(qū)域作為ＩＩ區(qū)，在ＩＩ區(qū)以下及以上的分別為Ｉ區(qū)和ＩＩＩ區(qū)。提出以｝＾和乙為界限的??三區(qū)劃分
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本文編號：2844645