水生植被于自然界中廣泛存在,是河流生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的組成部分。水生植被不僅影響著河流生態(tài)系統(tǒng)健康,而且能夠抵御水流對(duì)河床與邊坡沖刷,起到維護(hù)河床穩(wěn)定與保護(hù)河岸邊坡的作用。因此,在環(huán)境水力學(xué)領(lǐng)域內(nèi),植被水流的水動(dòng)力學(xué)特性已經(jīng)成為了一個(gè)研究重點(diǎn)。在之前的剛性植被水流模擬研究中,學(xué)者們選用圓柱形木棒近似地模擬水生植被,然而本文以實(shí)際水流中莖稈粗細(xì)變化的植被作為研究對(duì)象,通過(guò)采用理論推導(dǎo),水槽試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算三者相結(jié)合的方式研究了生態(tài)特征沿垂向變化的植被對(duì)水流的水動(dòng)力學(xué)特性影響,所得到的主要成果如下:基于植被水流和多孔介質(zhì)流的相似性,本文將河道中的水生植被視為固體骨架,并引入多孔介質(zhì)理論對(duì)植被水流進(jìn)行研究。首先,采用Biot多孔彈性理論得到了植被密度沿水深變化時(shí)植被水流的控制方程。在研究的過(guò)程中,引入了多孔介質(zhì)的相關(guān)參數(shù):孔隙率,迂曲度和滲透率來(lái)描述植被水流的流動(dòng)特性。本文詳細(xì)研究水生植被沿垂向變化的生態(tài)特征,建立了植被水流孔隙率與植被截面形狀、竿莖粗細(xì)、水深等的函數(shù)關(guān)系式,并以此來(lái)表征由植被竿莖粗細(xì)引起的垂向植被密度變化。采用迂曲度與滲透率來(lái)表征水生植被對(duì)水流傳導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的影響。然后假設(shè)紊動(dòng)粘性系數(shù)與水深滿足線形函數(shù)關(guān)系,提出了一個(gè)新的紊流模型,并采用試驗(yàn)數(shù)據(jù),代數(shù)應(yīng)力模型以及雷諾切應(yīng)力模型驗(yàn)證這個(gè)紊流模型的準(zhǔn)確性與合理性,結(jié)果表明新的紊動(dòng)模型能夠準(zhǔn)確、合理地表達(dá)水流中的紊動(dòng)特性。最后,通過(guò)修改控制方程中的紊動(dòng)項(xiàng)與密度變化項(xiàng),得到不同工況下的植被水流控制方程,證明本文提出的控制方程具有極廣泛的適用性,可以用于各種工況下植被水流研究。采用有限分析法對(duì)控制方程進(jìn)行求解,根據(jù)不同情況下的邊界條件,分別得到了挺水植被水流與淹沒植被水流流速的有限分析解。其中,對(duì)于淹沒植被水流分為上層純水區(qū)與下層植被區(qū)分別進(jìn)行求解。根據(jù)孔隙介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)機(jī)理和植被水流試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,提出了相對(duì)最優(yōu)的滲透率計(jì)算公式,此公式在一定范圍內(nèi)具有較高的精度,能夠滿足不同工況下淹沒植被水流的水動(dòng)力學(xué)特性研究。在水槽試驗(yàn)中,選用圓臺(tái)型木棒模擬垂向生態(tài)特征變化的水生植被,通過(guò)改變流量與植被密度分別對(duì)挺水植被水流與淹沒植被水流流速進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行時(shí)間與空間平均化處理,以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然后將實(shí)測(cè)結(jié)果與流速分布的有限分析解進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果證明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果能夠很好地吻合,說(shuō)明本文提出的控制方程與計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出孔隙率沿水深變化的植被水流的流速分布。此外,基于標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型,采用開源軟件OpenFOAM不可壓縮粘性流體模塊下的inter FOAM求解器對(duì)孔隙率變化的挺水植被水流流速進(jìn)行了計(jì)算。數(shù)值模擬的結(jié)果與有限分析解具有相同的變化趨勢(shì)且可以較好的吻合,進(jìn)一步證明本文得到的流速有限分析解能夠很好的預(yù)測(cè)出實(shí)際植被水流中的流速分布。分別將流量、植被密度以及紊動(dòng)系數(shù)當(dāng)作變量來(lái)討論變化的孔隙率對(duì)植被水流的影響�？梢钥闯隽髁�?jī)H改變植被水流的流速大小,而植被密度則影響孔隙率變化范圍,不僅改變植被的大小,又影響流速的分布。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),與植被紊流相比,沿水深變化的孔隙率對(duì)植被層流的影響要更加明顯。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV133
【部分圖文】：

孔隙率沿水深變化的植被水流水動(dòng)力學(xué)特性研究二章孔隙率沿水深變化的植被水流控制方介質(zhì)是由固體骨架和大量密集的化隙所構(gòu)成的物質(zhì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特的河道很相似。因此本文將植被水流模擬為多孔介質(zhì)流，在此基拙動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研巧。由于在研究過(guò)程中引入了多孔介質(zhì)的相關(guān)參介質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。??介質(zhì)流動(dòng)??孔介質(zhì)簡(jiǎn)介??

孔隙率沿水深變化的植被水流水動(dòng)力學(xué)特性研充在河床上，孔隙連續(xù)且不存在滯留孔隙，所Ｗ有效孔隙體積即為孔隙總體積，＝?（Ｖｐ％。??．４迂曲度??迂曲度是一個(gè)微觀參數(shù)，表征了多孔介質(zhì)中毛細(xì)管道的彎化程度，定義為流度與樣品長(zhǎng)度的比值：??Ｔ。二氣?（２中，ｒ〇為多孔介質(zhì)的彎曲度，為無(wú)景綱，心為流動(dòng)路巧的＆度，Ｌ樣品的民度。曲度越窩，ｒ〇越大。如圖２－２可Ｗ看出多孔介質(zhì)中的彎曲孔巧結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，路徑具巧隨機(jī)性與不規(guī)則性，所Ｗ想耍準(zhǔn)確地測(cè)量迂曲度非巧困她，通巧采用法與數(shù)値模擬確定迂曲度。??

ｙｙ??Ｋ為卡口通用常數(shù)。??此奈流切應(yīng)力為：??２?２?ｄｕ了１?二?ｐＫ?ｙ?—＼ｄｙ）??似的零方程模型還有假設(shè)奈動(dòng)枯巧系數(shù)與水深為線性函數(shù)、二次函數(shù)，其表達(dá)式分別為：??ｔ，＝Ｐｐｎ?ｄｙ??￣Ｔ￣＼ｈ）?ｄｙ??奸?１－引矣／ｚ?Ｙ?ｈ?Ｊ?ｄｙ??公為案動(dòng)系數(shù)，單位為ｍ２／ｓ。??模型驗(yàn)證??１．０?Ｉ?１?１?■?Ｉ?！?Ｉ?ｎ?Ｔ??
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