含植物明渠紊流流速分布无量纲化方法及流动分区

基于流速分布曲线的几何特点,提出一种新的无量纲化方法,结合水槽实验数据的回归分析,对含植物明渠紊流流速分布律及流动分区进行了研究。基于流速梯度变化率的特点,确定两个特征高度,采用特征高度、特征高度位置处的流速、水深、最大流速4个变量定义了新的无量纲流速和高度,对实验得到的流速数据进行无量纲化处理,进一步拟合得到流速分布律。结果表明,提出的无量纲流速在自由水面附近呈对数分布,对数分布律区域以下到床面的区域可用4段函数表示。根据分布律适用的区域明确流动分区边界,发现边界高度与特征高度并不重合,但和混合层的上下边界近似相等。与其他研究的对比表明,提出的无量纲化方法和流速分段函数分布律以及流动分区对速度描述有效,具有较好的适用性。

含植物明渠流动分区和特征尺度研究进展

植物是生态河流必不可少的要素之一。植物的存在,改变了水流的紊流结构。由于流动沿垂向具有较强的不均匀性,对于含植物明渠紊流统计特性的描述,至今未有公认的、统一的沿水深分布表达形式。因此,对含植物明渠流动分区和各区特征尺度的研究越来越受到重视。本文回顾了无植物明渠和含植物明渠流动分区及特征尺度研究的主要成果,重点对基于流速分布和紊流结构两种方法确定的分区和特征尺度进行了分析和总结。指出将涡结构与流动特性参数分布规律相结合进行流动分区,在各区确定合适的特征尺度,进一步探究分区界限及流动特征尺度的影响因素及具体影响,建立普适的紊流统计特性分布规律是今后含植物明渠紊流结构研究的重要内容和趋势。

含淹没植物明渠近床面区紊流特征高度试验研究

为研究含淹没植物明渠紊流统计参数垂向分布突变位置、理论床面和渗透高度的关系,进行了含淹没刚性植物明渠水流试验,使用圆柱铝棒模拟刚性植物,采用激光多普勒流速仪(LDV)测量流场,对由纵向流速、雷诺应力、局部阻力系数分布确定的特征高度和渗透高度进行研究,比较各类紊流特征高度的相对位置,分析植物密度与淹没度对其的影响。试验结果表明,在植物密度较大的情况下,近床面区流速沿垂向保持常数,雷诺应力梯度较小,一定高度处分布规律发生明显变化,能够较容易地确定流速梯度和雷诺应力梯度突变位置,淹没度对由3种方法确定的特征高度影响不明显;各种方法确定的特征高度中,雷诺应力特征高度与渗透高度更加接近;渗透高度随植物密度与淹没度的增大而增大;渗透高度与理论床面高度存在一定的线性关系。

含植物明渠水流水力特性研究综述

针对植物、水流之间的复合作用,从水流阻力特性、水流结构特性出发,综述国内外含植物明渠水流水力特性研究进展与成果,总结含植物影响下明渠水流Manning系数、植物阻力系数变化以及流速、紊动强度、雷诺应力垂线分布情况,得出植物对减少水土流失、降低泥沙输移与再悬浮程度有较大作用的结论。根据目前含植物明渠水流水力特性研究的不足,提出将优化室内水槽沿程断面设计、建立植物群落-水流动态关系为后续研究重点。

有无植物条件下明渠水流紊动特性对比

在可变坡水槽中,模拟了带枝杈植物对明渠水流的干扰作用,借助超声多普勒流速仪(ADV)测量了不同水深下垂线不同测点的瞬时流速,计算了各测点的三维时均流速、脉动强度及雷诺应力等紊动参数,通过与无植物干扰的明渠均匀流紊动特性进行对比,分析植物对水流紊动参数的影响规律。试验结果表明:在有植物明渠水流中,时均流速呈三区分布特征;脉动强度及雷诺应力均在植物顶部附近出现最大值;脉动强度明显增大,在3个方向上趋于接近;可以用植物顶部以上的雷诺应力分布推求摩阻流速。

植物条件下明渠紊流拟序结构的可视化研究

运用数字图像处理及流动显示技术,对植物条件下明渠紊流拟序结构进行了初步研究。实验结果表明,植物改变了明渠的紊流结构,与无植物条件相比存在明显差异。根据拟序结构特性,流动可以划分为3个区域:植物内层区,弱猝发现象与类卡门涡街综合作用,尾流涡结构受植物直径及排列方式影响大;植物顶部附近区,紊流结构复杂、结构变化快,同时存在壁面边界层中的猝发现象及自由混合层中大涡配对现象,猝发周期与流速负相关,涡平均渗透深度与流速和淹没度正相关;植物外层区,与明渠外区类似,表现为涡体拉伸及紊流的间歇性。各区紊流拟序结构各不相同,但却相互作用、相互影响。

淹没植物条件下明渠KH涡的垂向几何尺度和频率

含淹没植物明渠中存在的Kelvin-Helmholtz(KH)涡,对水流能量交换和物质输移具有直接的影响。基于淹没刚性植物条件下的水槽实验,利用粒子图像测速技术(PIV)得到瞬时流速场和涡量场,定量刻画KH涡的垂向几何尺度(上下边界和垂向作用范围),结合三维声学多普勒流速仪(ADV)测量的流速时间序列和小波变换方法,分析KH涡的频率,研究植物淹没度对KH涡上下边界位置、作用范围和频率的影响。研究发现:本实验确定的KH涡上、下边界与根据能量分布计算得到的混合层上、下边界基本一致;在本实验条件下,KH涡上边界为0.7~0.8倍水深,下边界在植物密度一定时围绕一常数波动,KH涡的频率在0.14~0.20 Hz之间;随着淹没度的增大,KH涡的上边界升高,下边界变化不明显,作用范围和频率增大。