圆柱形植物斑块水动力特性的大涡模拟研究

为阐明天然河道典型植物群落的水动力特性,该文使用基于浸没边界法的大涡模拟技术,构建了以半透性圆柱斑块为植物群落的水动力数学模型,开展了不同的植株密度下三维水流数值模拟研究,并根据水槽实验数据对该数值模型的可靠性进行了验证。研究结果表明:流经半透性植物斑块的水流可分为两侧绕流及贯穿流动,且斑块的阻流效应与其植株密度呈现正相关。植物斑块密度的差异直接影响时均流场与紊动流场的特征,显著改变了下游流速分布规律:高密度植物斑块的贯穿流动较弱,斑块周围能够形成较为清晰完整的马蹄涡及分离涡结构,同时在尾流区一定区域内(4<x/D<6)出现卡门涡街分布;而随着斑块密度的降低,贯穿斑块流动增强,尾流区流速梯度减小,流线分布较为平顺,未出现涡街分布,斑块附近的涡旋结构也较为稀疏破碎。