植被作用下的弯曲复式河槽漫滩水流2维解析解

研究植被作用下的弯曲复式河槽流速分布对于确定其过流能力、泥沙输移、河床变形、滩岸保护有着十分重要的作用。作者研究了有植被的弯曲复式河槽中的垂线平均流速横向分布问题,在动量方程中加入滩地植被引起的拖曳力项,并考虑弯曲主槽和二次流的影响,采用3种不同的紊流扩散项积分方法,得到了3种计算模型。运用英国FCF弯曲复式河槽试验资料对模型进行验证,结果表明,在不同区域选取合适的二次流系数K比仅考虑主槽中的K值能更好地预测流速分布;滩地种植植物后,主槽中的K值明显增大;3种模型的预测结果在滩地上基本相同,主要差别出现在主槽区和掺混区。通过比较分析不同模型的计算误差,得到了计算结果最优的模型。     

考虑滩槽相互作用的漫滩水流二维解析解

研究复式河道断面的流速与切应力分布问题,将纵向动量方程沿水深方向积分,得到流速分布的解析解.考虑断面二次流的影响,在积分过程中采用了三种不同的积分假定,将水深函数代入三个积分方程中求得滩槽连接处水深变化区域内的流速计算公式.应用FCF的实验资料对模型进行验证,发现采用合理的K值比直接采用SKM方法计算能更好的模拟流速和切应力分布;应用FCF的实验资料对三种不同积分假定下的水深变化区域流速和切应力计算公式进行比选,得到了与实测值最为吻合的计算公式.     

滩地种植一排植物的复式河道流速分布计算方法研究

天然河道中,经常存在滩地覆盖部分植被的复式河槽,本文研究滩地种植一排植物的复式断面的SKM流速分布模型,每当二次流系数的符号改变一次,子区域的划分就增加一次。以考不考虑二次流项和断面划分的子区域个数为条件,分为四种模式求解SKM模型的垂线平均流速的横向分布。计算时如果简单的忽略二次流项,将给计算结果带来很大误差,特别是主槽区,预测值甚至达到计算值的两倍,滩地区误差则较小。而传统区域划分法能够预测断面的流速分布趋势,但计算结果误差较大。根据二次流项的变化,增加滩地种植一排植物的复式断面子区域的划分,并调整每个子区域的参数,改进计算结果,特别是植被区附近的模拟效果得到提高,优于不考虑二次流影响的模拟。结果表明二次流对复式断面水流具有重要的影响,计算滩地种植一排植物的复式河道时,不仅不能忽略二次流项,还要充分考虑二次流对子区域划分的作用,根据二次流系数的方向和符号决定子区域的划分,才能得到最优模型。     

基于水深平均模型的植被水流数值模拟

针对有植被作用的渠道,将植被对水流的作用视为河床的附加阻力,推导出植被作用下河床等效曼宁阻力系数计算公式,考虑植被区与无植被区交界区域产生的二次流对植被区阻力的综合影响,引入影响系数对等效曼宁阻力系数计算公式进行修正.将修正后的公式用于水深平均模型,求解非对称复式断面和矩形断面局部有植被渠道的流速分布,计算结果与实验数据吻合,表明该模型可有效用于局部植被覆盖渠道的水流计算.有助深入了解植被水流结构.     

（研究生论坛）滩地一排植被作用下的复式河槽水流特性研究

为研究滩地种植一排植被情况下,梯形复式河槽断面的垂线平均流速分布和床面剪切应力分布,进行了4种方案的室内水槽试验。分别采用多普勒三维流速仪（ADV）和普雷斯托管对流速和床面剪切应力进行了测量。试验结果表明,植被处于淹没状态时,主槽中心线和滩地中心线附近的垂线流速呈对数分布,而在植被区域的垂线流速呈S型分布。流量的增加和植被间距的加大将引起同一垂线的平均流速增大。床面剪切应力值在植被区域达到最小值,表明植被对断面的床面剪切应力有显著削弱作用。流量越大、植被密度越小,床面剪切应力值就越大,但床面剪切应力占水流阻力的比重越小。     

天然复式河道的流量计算

漫滩水流在天然河道中极为常见，尤其在冲积平原地区。漫滩水流的水位流量关系将和一般的明渠流有所不同，使过水能力的估算较一般的明渠流困难，采用以水深平均的Navier-stokes方程为基础的漫滩水流计算方法，通过对动量交换法和摩阻因子的研究，针对某天然复式河道的具体条件，在考虑床面粗糙度的条件下，计算出漫滩洪水垂线平均流速横向分布，进而计算出断面过流流量，并得到水深与流量的关系。     

考虑扩散应力项的弯道平面二维水流数学模型

借鉴弯道水流流速沿垂向分布的研究成果,在二维浅水方程的基础上计入沿垂线方向变化的流速与沿水深平均流速之差引起的扩散应力项,在正交曲线坐标系下建立了平面二维水流数学模型.对Rozovskii 180°弯道的计算表明,本模型计算结果比不考虑扩散应力项的模型更如实地反映了弯道水流特性,对扩散应力项的分析表明其在二维弯道水流模拟中发挥很大的作用.     

“研究生论坛”稿件-植被化复式河道流速分布模型的参数敏感性研究

选取国内外常用的复式河道垂向平均流速横向分布模型( SKM),采用局部分析法,研究植被作用下SKM模型中常用的3个重要参数(植被拖曳力系数、涡粘性系数以及二次流系数) 对复式河道垂向平均流速横向分布和断面过流能力的影响。结果表明主槽区参数对模拟结果的敏感性要大于滩地区参数,主槽区参数对断面流速的敏感性要小于对断面过流能力的敏感性,滩地区参数刚好相反,对于植被作用下的SKM模型来说,无论对断面流速还是断面过流能力的模拟,二次流系数的影响都不可忽视,相对于滩地区,主槽区的参数选取对模拟结果的准确性更为重要。     

基于数值模拟的矩形明渠床面切应力分析

河道流动受边界切应力影响,边界切应力过大会造成河岸被侵蚀,降低河岸的稳定性,并通过影响泥沙的沉积和搬运,引起河流形态变化。探究河流边界切应力,就是在河流中水流流动状态、结构特性等问题。由于河流中影响边界切应力的因素多且复杂,本文去掉各种不确定的因素,通过数值软件建立一个二维矩形直道明渠流动模型,运用相似理论中的重力相似准则对矩形直道明渠模型进行缩尺,首先将5种比尺的均匀流直道模型的流动进行数值模拟。由于该5个直道明渠模型模拟结果统一出来的水位流量关系与曼宁公式推导出的水位流量关系高度一致,因此可以表明该模型模拟出来的参数是真实可靠的。针对非均匀流的情况,本文通过欠均匀流和超均匀流的概念,对9组直道模型非均匀流进行数值模拟,通过非均匀流的受力分析推导出通用的床面切应力公式。该公式表明无论矩形明渠的流动是否为均匀流,都可通过水深h、流速u、曼宁糙率系数n三个参数求出床面切应力。     

明渠断面流速与边壁切应力相关的试验研究

根据Ｐｒａｎｄｔｌ理论关于对数流速分布的假定,利用间接测量法测量了相同流量不同水深情况下明渠底部的切应力分布．结果显示,在明渠边壁糙率突然减少的两边流速分布和边壁切应力均有最大值．根据作者的试验结果,给出了槽底平均切应力τ０与明渠流弗汝德数Ｆｒ的相关关系,可供参考．     

Lateral distributions of streamwise velocity in compound channels with partially vegetated floodplains

Natural rivers are commonly characterized by a main channel for primary flow conveyance and a floodplain, often partially covered with vegetation such as shrubs or trees, to carry extra flow during floods. The hydraulic resistance due to vegetation on the floodplain typically causes a further reduction of flow velocity and increases the velocity difference between the main channel and the floodplain. As a consequence a strong lateral shear layer leads to the exchange of mass and momentum between the main channel and floodplain, which in turn affects the overall channel conveyance and certain fluvial processes. The prediction of the lateral velocity distribution is important for many flood alleviation schemes, as well as for studies on sediment transport and dispersion in such channels. The present paper proposes a method for predicting the depth-averaged velocity in compound channels with partially vegetated floodplains, based on an analytical solution to the depth-integrated Reynolds-Averaged Navier-Stokes equation with a term included to account for the effects of vegetation. The vegetation is modelled via an additional term in the momentum equation to account for the additional drag force. The method includes the effects of bed friction, drag force, lateral turbulence and secondary flows, via four coefficients f, C _D, λ & Γ respectively. The predicted lateral distributions of depth-averaged velocity agree well with the experimental data. The analytical solutions can also be used to predict the distribution of boundary shear stresses, which adds additional weight to the method proposed.     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性，进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响，提出植被固壁边界处理方法，利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型，并对复式河道水流特性进行了模型验证，模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究，对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换，引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加，同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小，紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著，相比无植被情况，二次流涡旋数量增加了一对，岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小，甚至趋近于零，而临近植被的周围区域紊动交换剧烈，无量纲化的紊动能值可达到20。     

河渠植草衬砌效应研究

河(渠)道越来越多采用植草衬砌,它不仅保护河渠岸坡免受冲蚀,还改善生态条件,然而,植物对水流产生拖曳力从而影响河道过流能力.讨论了植物衬砌抗冲蚀效应的主要影响因素,提出了评估植草衬砌河渠稳定性的方法,根据水流拖曳有效剪应力与土壤允许有效剪应力之间的极限平衡条件导出了估算植草衬砌渠道过流能力的公式.实例计算研究表明,百喜草和狗牙根草因其较强的抗冲蚀性和较小的阻水性而比较适合于我国南方河渠衬砌.     

明渠流动S-K模型在具有垂直壁面的复式断面下的数值模拟

在具有垂直壁面的复式断面S-K模型数值计算中一般都是采用斜坡近似法,但该方法在滩槽交界面处的流速计算值与S-K模型解析解差别较大,为解决该问题,提出了结合解析解求解时拟定的边界条件的耦合迭代方法,该方法大大改善了斜坡近似法的不足,其数值模拟结果与S-K模型解析结果吻合良好,能够更为精确地计算棱柱体河槽深度平均流速分布和壁面切应力分布,可有效解决直立壁面边界速度突变的问题,对数值计算中类似问题的解决具有参考价值,也为S-K模型在实际工程中的广泛应用提供新的途径.     

承压式溢流井淤积实验研究

为研究承压式溢流井的淤积规律,通过模型实验实测了井底面速度分布,并据此计算出相应的床面切应力。根据相似准则进行泥沙沉积实验,得到不同工况下的泥沙沉积分布。结果显示,溢流井内流场在恒定流工况时由一对大致对称的椭圆形涡流组成,而且涡流周围区域的紊动能及切应力均较大,其冲刷力亦较强,泥沙难以沉积下来。涡流中心和四周角落区域的切应力及冲刷力较小,有大量泥沙沉积。分析比较泥沙沉积位置与切应力分布,即可估计出模型沙的临界切应力值为0.05～0.07N/m2。     

小宽深比条件下弯道水流特性的试验研究

在弯道水流中,几何参数宽深比对水流的3维运动特性具有重要影响。由于小宽深比（< 5）河道广泛存在于山区及人工河道中,采用声速多普勒流速仪（ADV）对固定宽度不同宽深比（B/H 分别为1.5,2.0,3.0）的U型弯道内水流流速进行了精细测量,并以水面横比降、横向环流、流速重分布、紊动强度与剪切力为研究内容,讨论与分析了该情况下的弯道水流结构。试验结果表明,在小宽深比条件下增加宽深比时：1）水流动力轴线开始向凹岸偏移的位置提前,因而小流速主流线沿着凸岸流动,直到出弯道才开始向凹岸偏移,大流速则更早地向凹岸偏移;2）横向流速在凹岸开始波动的位置依次靠近上游,3种工况中波动位置分别为120°断面、90°断面及60°断面;3）凹岸表层附近出现次生环流的位置依次提前,其位置分别为120°断面、60°断面及30°断面,并且次生环流强度及范围不断增大;4）床面剪切力不断增大。需要指出的是：3种工况的剪切力在弯道入口断面到弯顶断面之间较大,最大剪切力位置均出现在弯道的前半段,可以推断在动床中弯道泥沙在此段的冲刷比较严重;过弯顶断面后,凸岸床面剪切力大于凹岸。试验结果可以有效地反映不同小宽深比参数对弯道水流结构的影响,并为该条件下的弯道泥沙冲淤研究提供参考。