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。     

边界条件对植被化矩形复式河槽流速及床面切应力的影响

在水深平均动量方程中加入了植被引起的拖曳力,给出了垂线平均流速及床面切应力的2维解析解.根据滩地植被化矩形复式河槽的断面形态特点,建立了滩槽交界面的切应力平衡方程进而提出了2种边界条件.比较这2种边界条件后发现它们的计算结果在水深较大时几乎相同,而水深较小时在剪切区内有一定差别,考虑了主槽边壁切应力影响的边界条件可以给出更好的计算成果.运用8组不同的矩形复式河槽试验资料对该边界条件的应用情况进行验证,结果发现,在各个区域选取合适的二次流系数比忽略二次流能更好地模拟流速及床面切应力分布,在各组矩形复式河槽工况中,考虑二次流可以得到较好的计算成果.     

滩地植被对弯曲漫滩河道主槽二次流发展的影响研究

滩地植被对河道水沙运动及河床演变具有重要的影响,尤其当洪水期水流漫滩时。为了弄清高密度植被对弯曲主河道水流特性的影响,作者采用模型试验,在弯曲复式河道滩地铺设模型草,模拟天然植被,通过改变上游来流量,研究了高密度植被对主槽二次流涡团高度及涡团中心位置的影响。结果表明,滩地植被对弯中断面附近的二次流涡团高度影响最大,二次流涡团高度在滩地无植被时等于主槽高度,而在滩地有植被后等于主槽高度加上滩地植被冠层高度,此时,滩地植被等效增大了主槽高度。进入弯段后,滩地植被对二次流涡团高度的影响逐渐减小,在弯顶断面可以忽略滩地植被的影响。根据试验结果,提出了不同断面二次流涡团中心位置的预测方法并用不同来源的数据进行检验,发现该方法可以准确预测弯曲主槽中不同断面的二次流涡团中心位置。最后,讨论了二次流相对强度与主槽过流率之间的关系,发现无论滩地是否有植被,最大主槽过流率总是出现在二次流相对强度较小的弯顶断面。在相同水深条件下,主槽过流率在有植被漫滩河道中比无植被河道大。随着主槽水深（相对水深）增大,有植被和无植被工况各断面的过流率差值减小。当主槽水深接近或小于滩地植被冠层高度和主槽高度之和时,弯曲主槽中的二次流涡团沿程变化特性将与非漫滩弯曲河道的二次流涡团沿程变化特性十分相似。     

“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。     

复式明渠水流运动的数值模拟

大多数平原河道都为具有主槽和滩地的复式河槽,且主槽和滩地的壁面粗糙度一般不相同.根据理论分析建立了适合于描述水力光滑、水力过渡和水力粗糙这三种壁面条件下时均流速沿垂线分布的统一公式,并利用该流速分布公式,采用Thatchell代数应力模型,对复式明渠粗糙度沿横向存在变化的流动进行了三维模拟.     

（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。     

弯曲复式河槽水流泥沙因子的横向分布模型及其应用

在弯道环流的作用下,滩槽水沙交换的强度和模式明显有别于顺直河道情况,其研究内容相对复杂。目前,对弯曲河道水沙输移规律尚缺乏较系统的研究。将SHIONOKNIGHT方法拓展应用到弯曲复式河槽中研究弯曲河道的水沙因子的横向分布规律,从考虑侧向二次流惯性力和河道弯曲程度的动量方程出发,对水流微小控制体进行了受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,得到了复式断面流速和挟沙力的横向分布规律,最后论证了不同弯道曲率对复式河道水流泥沙因子横向分布的影响。     

复式河槽过流能力非线性研究

传统方法不能准确预测复式河槽过流能力。针对这一不足，本文采用系统动力学方法探寻复式河槽过流能力的计算。通过分析英国科学工程研究协会洪水水槽设(SERC-FCF)的大量的系列水槽实验成果，发现滩槽Darcy-Weisbach阻力系数比值随着相对水深的增加而减小。主槽阻力系数随着相对水深的变化而变化，呈抛物线分布。根据获得的阻力系数关系，运用系统动力学方法，建立了洪水漫滩后，复式河槽过流能力的系统动力学模型。计算结果表明：该模型能确定水位流量关系，其模拟值与实测值吻合较好，其相对误差的绝对值仅在3％左右。     

复式断面明渠的速度比和流量比

采用量纲分析方法得到了复式断面渠道中主槽和滩地间表观切应力的基本形式,基于Wormleaton等的实测资料,运用回归分析的方法得出了表观切应力中动量传输系数的计算式.动量传输系数中考虑了滩地与主槽水深比hr、宽度比br等因素的作用,进而采用力的平衡原理,导出了主槽与滩地的流速比与流量比的计算公式,该公式反映了动量传输系数以及主槽的糙率nc和滩地糙率nf等对流速、流量的影响.计算结果与实验室内的试验值以及天然河道的实测值吻合良好.     

复式河道漫滩洪水计算

从SKM方法出发,将二次流项归并入雷诺切应力项,并将主槽和滩地的流速分布曲线直接相接,推导出一套不需联立求解系数方程组的漫滩水流流速和床面切应力分布的计算公式。针对不同工况进行了实际计算,计算结果与他人的实验资料基本一致,表明这一方法是合理的。     

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.     

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.     

不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

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。     

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。     

游荡型河流滩地洪水计算

对于游荡型河道中的漫滩水,以滩地高程为界可分为上层和下层,从水流运动的基本方程出发,忽略上层中水平方向的动量扩散,建立了一种简便的上层水流计算方法,并与他人的试验结果进行了对比,当系数K选取适当时,计算与试验结果一致。     

直角交汇河段分离区流场的几何特性研究

主要介绍了直角交汇河段回流区水力特性的实验研究及分析结果。在进行示踪观测实验的同时,详细地测量了交汇河段近区的速度场。在此基础上,运用量纲分析方法,通过回归计算及采用水深平均的K—ε紊流模型的数值模拟,得出了回流区几何特征变化规律和侧流轨迹等一系列研究结论。