柔性植物与刚性植物紊流特性研究

河流中的植物不仅影响河流的泄洪能力而且在生态的修复中起重要作用,因此对含植物明渠水流的阻力特性及紊流特性的研究显得非常重要.将河道中含植物的水流视为充分发展了的紊流,在实验室中用特定材料模拟柔性植物与刚性植物,通过水槽试验用三维ADV对淹没植物段紊流特性进行了测量研究,分析了含淹没植物明渠水流的水力学特性及阻力特性并得出其曼宁糙率n的变化规律.对试验结果分析表明,含淹没植物的垂向流速分布不再符合指数分布;其紊流具有明显的各向异性特性;植物冠层交界处,水流紊动交换强烈,该处紊流强度及雷诺应力出现最大值.     

河道漫滩及湿地上淹没柔性植物水流的紊流特性

植物在河流生态的修复中起重要作用,因此对含植物明渠水流的紊流机理的研究显得非常重要。将河漫滩及湿地中含淹没柔性植物的水流视为充分发展了的紊流,在实验室中用特定材料模拟柔性植物,通过水槽试验用三维ADV对淹没柔性植物段紊流特性进行了测量研究,对试验结果计算分析表明含淹没柔性植物的垂向流速分布不再符合指数分布;其紊流具有明显的各向异性特性;植物冠层交界处,水流紊动交换强烈,该处紊流强度及雷诺应力出现最大值。     

含柔性植物明渠水流阻力特性试验研究

利用水槽试验研究了无草、淹没型、非淹没型柔性植物水流阻力特性的变化规律,分析了含植物明渠沿程水面比降和阻力系数的变化特性。得到各植物阻力系数变化与尼库拉兹曲线基本相似,紊流范围内同样可划分为紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区;探讨了各植物明渠等效河床的问题,据此确定了各植物的粗糙度,对植物粗糙度、水流雷诺数和阻力系数之间的关系进行了分析,并通过对各植物水流阻力系数的分区回归计算,得到各植物水流阻力的分区经验表达式,该方法能较好地应用于含植物明渠水流阻力系数的推求。     

含水生植物河道曼宁糙率系数的试验研究

水生植物是河流生态系统的重要组成部分,但水生植物的存在使得水流阻力增加,河道行洪能力降低,开展含水生植物河道曼宁糙率系数的研究,对河流生态综合治理具有重要意义。本文基于对含淹没柔性水生植物水流的室内水槽系列试验和量纲分析理论,分析了植物挺立度、相对淹没高度及相对密植度对河道曼宁糙率的影响,给出了淹没状态下含柔性水生植物河道的通用等效曼宁糙率系数经验公式。     

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。     

含植物河道水流紊动特性研究

基于河流的修复、河道的管理及水资源可持续发展的理念,从对含植物水流的阻力特性、紊动 机理特性研究、水流涡量场及数值模拟研究四个方面开展含植物河道紊动特性的研究。研究结果表明: 在非淹没状态、淹没状态、淹没与非淹没状态共存三种情况下,植物增加了河道糙率,对泄洪不利;植物 在河道中顶部紊动强度和剪切力最大;含植物河道中水流能量耗散随着涡量值的增加而增加,拟熵也随 着涡量值增加而增加。以期为含植物水流的实验与模拟研究提供参考。     

含植物河流问题研究进展

植物是生态功能完备的河流必不可少的因素,是河流生态系统众多的生态因子中最为重要的元素。从含植物水流阻力、含植物水流紊流结构及含植物水流的数值模拟等方面回顾总结了当前含植物水流问题研究的主要成果,讨论了当前含植物水流问题研究存在的不足,并指出今后的研究趋势。     

含植物明渠水流运动特性试验研究

水生植物广泛存在于天然河流的岸滩和浅水区域,对河道水流运动产生一定影响。该文利用声学多普勒测速仪(ADV)开展了不同类型植物对明渠水流运动特性影响的实验研究。结果表明:在淹没植物上方及挺水植物杆两区域内,植物对水流运动影响较小,其流速分布满足典型对数分布形式;水流自明渠上游过渡到植物区首部时,因水流阻力突然增大而发生剧烈紊动,当植物相对体积较大时,植物区首部的二次流运动方向较上游区发生反转,并在下游区形成明显旋涡流;在植物区大体积植物的阻隔作用使明渠动量横向波动幅度明显加大,在下游区强度较大的旋涡流明显减弱了水流动量的整体单向输运强度。     

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。     

含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究

采用概化水槽试验研究了在不同植物间距、水流条件下,含淹没植被明渠水位、曼宁糙率系数的变化特征,给出了含淹没植被明渠的糙率经验公式.试验结果表明:相同的流量、水深条件下,明渠的水位壅高值和水面比降均随植物间距的减小而逐渐增大,当植物枝叶相互间贴近或交叉时,植物对明渠水位、比降的影响程度相对较大;水深基本相同、植物排列方式相同的情况下,随着流量的增加,水面比降基本呈线性增大趋势;水深相同的条件下,含淹没植被明渠糙率受水流流速的影响较小.     

含植物水流动力特性研究进展

鉴于植物与水动力之间复杂的相互作用过程,从植物对水流的阻力作用、植物引起的紊动作用以及植物对波浪的消减作用三方面,综述了国内外含植物水流动力特性研究进展,总结了不同水动力条件下含植物河道Manning系数、拖曳力系数与植物特性之间的定量关系,讨论了植物引起的纵向流速垂向分布和紊动强度变化以及植物在海岸带波浪消减中起到的作用。针对目前含植物水流动力特性研究中存在的不足,指出植物拖曳力系数、含植物水流紊动特征、植物-水流-波浪耦合作用机理为今后研究的重点。     

FLOW STRUCTURE OF PARTLY VEGETATED OPEN-CHANNEL FLOWS WITH EELGRASS

Aquatic vegetation can influence the transport of sediment and contaminants by changing the mean velocity and turbulent flow structure in channels. It is important to understand the hydraulics of the flows over vegetation in order to manage fluvial processes. Experiments in an open-channel flume with natural vegetation were carried out to study the influence of vegetation on the flows. In a half channel with two different densities of vegetation, the flow velocity, Reynolds stresses, and turbulence intensities were measured using an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). We obtained velocity profiles in the lateral direction, Reynolds stresses in the vertical direction, and the flow transition between the vegetated and non-vegetated zones in different flow regimes. The results show that the streamwise velocity in the vegetated zone with higher density is almost entirely blocked. Reynolds stress distribution distinguishes with two different regions: inside and above the vegetation canopies. The turbulence intensities increase with increasing Reynolds number. The coherent vortices dominate the vertical transport of momentum and are advected clockwise between the vegetated zone and non-vegetated zone by secondary currents (a relatively minor flow superimposed on the primary flow, with significantly different speed and direction), generated by the anisotropy of the turbulence.     

Hydrodynamics of longitudinally discontinuous,vertically double layered and partially covered rigid vegetation patches in open channel flow

The aim of this paper is to numerically investigate how the flow structures are affected through a longitudinally discontinuous and vertically two‐layered vegetation occupying half width of the channel, with steady flow rate and subcritical conditions. A three‐dimensional (3‐D) Reynolds stress turbulence model (RSM), incorporated by Computational Fluid Dynamics (CFD) code FLUENT, was first validated with the experimental data, and then used for simulation purpose. The results showed that the flow stream‐wise velocities within the gap regions are visibly slower than that in the vegetation patch regions. Along the cross section, the velocity in the vegetation region (VR) reduced significantly due to resistance offered by the vegetation, which affected the channel conveyance; as compared to the free (non‐vegetated) region. The flow instability in the lateral direction was triggered by the flow shear due to the presence of partly distributed vegetation, resulting in the formation of coherent vortices and exchange of momentum at the interface. The discharge percentage passing through the free region (FR) was found to be 144–525% larger than that passing through the VR. The flow resistance increased significantly with higher vegetation density, whereas it decreased when both the vegetation layers were submerged. Moreover, the flow characteristics profiles in large gaps were more stable than in small gaps. The turbulent kinetic energy (TKE) and turbulence intensity also increased significantly through the patch regions compared to that of the gap regions. The results indicated that the flow structures and the flow resistance are strongly influenced by partial and discontinuous vegetation.     

植被作用下的复式河槽漫滩水流紊动特性

分别选取塑料吸管、鸭毛和塑料大草模拟乔木、灌木和野草，通过水槽试验，探讨了不同滩地植物作用下的浸滩水流紊动特性。试验结果表明，纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本满足正态分布；时均流速与采样时间的长短有关；横向动量交换比垂向动量交换大，横向动量基本上是主槽向滩地传递；不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响不同。滩地种植植物后，水流的紊动强度增强。纵向和垂向的紊动强度相当，都服从S型分布。     

FLOW STRUCTURE AND SEDIMENT TRANSPORT WITH IMPACTS OF AQUATIC VEGETATION

Aquatic vegetation plays an important role in the flow structure of open channels and thus changes the fate and the transport of sediment. This article proposes a three-dimensional turbulence model by introducing vegetation density and drag force into the control equations of water flow in the presence of vegetation. The model was used to calculate the impacts of submerged vegetation on the vertical profiles of longitudinal flow velocities, the changes of the depth-averaged flow velocities in a compound channel with emergent vegetation in the floodplain, the removal of suspended sediment from the channels by emergent vegetation, and the bed changes around and in a vegetated island. Numerical investigations show that aquatic vegetation retards flow in the vegetation zone, reduces the sediment transport capacity, and contributes to erosion on both sides of the vegetated island. Calculated results agree well with experimental results.     

淹没柔性植物对明渠推移质运动影响的实验研究

由于水流中植物的存在,使推移质泥沙运动规律变得更为复杂,目前,含植物水流中推移质泥沙运动的研究成果较少。实验研究了含淹没柔性植物水流中,不同植物密度及水深对时均流速、脉动强度、泥沙起动流速以及推移质输沙率的影响。结果表明,在植物顶部以下,有植物时的时均流速明显小于无植物时的流速,而脉动强度大于无植物时的脉动强度;当水深相同时,随着植物密度的增大,泥沙起动流速呈逐渐减小的趋势,并与植物密度呈较好的三次方多项式相关关系;植物密度对推移质输沙率的影响并非呈单一变化规律,随着植物密度的增大,推移质输沙率呈先增大然后逐渐减小的趋势,当植物密度相同时,水深越小,泥沙起动流速越小,推移质输沙率越大。     

植物条件下明渠紊流KH涡相关问题研究进展

植物是生态功能完备的河流的重要特征,淹没植物条件下产生的特殊紊流拟序结构——KH涡,对水-沙-污染物运动具有直接影响。从KH涡的发现、形成条件、特征参数(形态特征参数和运动周期)三方面,回顾了国内外植物条件下明渠紊流KH涡相关问题的研究进展,总结了植物密度和淹没度对KH涡的影响规律,提出结合紊流不稳定性理论、紊流拟序结构分析方法、流动显示、图像技术来研究KH涡的形成条件(临界密度或临界淹没度)、沿程发展过程、影响因素(如植物密度、刚度、几何形态、淹没度、水流强度)的具体影响,是下一步需要探索的关键。     

Numerical Model for Flow Motion with Vegetation

A set of governing equations for turbulent flows in vegetated area were derived with the assumption that vegetation is of straight and rigid cylinder. The effect of vegetation on flow motion was represented by additional inertial and drag forces. The new model was validated by available experimental data for open channel flows passing through vegetated areas with different vegetation size, density and distribution. Numerical results are in good agreement with the experimental data. Finally, the flow around a supposed isolated vegetated pile was simulated and the effects of vegetation density on the wake flow were discussed. It is found that the presence of vegetation, even at a very low density, has the pronounced influence on the dissipation of flow energy, both inside the vegetation domain and outside it in the wake flow region.     

含植物河道曼宁阻力系数的研究

含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁,传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则,首次提出了一系列等效水力参数的概念,建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式,并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进行水槽试验,对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论,并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性,因此具有普遍的应用价值,可以用来进行实际工程中糙率的计算。     

有植被的河道水流紊动特性模型试验研究

通过物理模型试验,研究了有植被的河道水流紊动特性.试验结果表明,在复式断面河道滩地种植柔性植被后,滩地糙率增大,水流紊动更为剧烈,河道水流紊动强度峰值由原先的滩槽交界区转移到滩地区.滩地的水流紊动强度沿程递减;滩槽交界区的水流紊动强度沿程不断增大;主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关,滩地植被影响了滩地水流的归槽时间,使主槽水流流速沿程增大.