非淹没刚性植被流动阻力研究

水生植物环境中,水流受植被的阻碍作用,流动阻力增加。为了定量研究植被对水流的阻力,本文采用应力计对非淹没刚性植被的流动阻力进行了实验室测量。能量方程计算的拖曳力与应力计实测的拖曳力进行了对比,两者的一致性证明了拖曳力测力装置的有效性。对不同水深条件下的植被拖曳力的测量表明,非淹没刚性植被的流动阻力与速度的平方成正比,拖曳力系数受雷诺数和能量底坡的影响较大。     

非淹没刚性植被影响下孤立波在岸滩上的爬高

为探究海岸刚性植被对海啸波的削弱效应,通过物理模型试验和数值模拟研究了孤立波与不同坡度岸滩上非淹没刚性植被的相互作用问题。物理模型试验在波浪槽中进行,测试了不同的入射波波高、植被密度和岸滩坡度对孤立波爬高的影响,并运用物理模型试验数据校核改进后的Boussinesq方程,得到植被的拖曳力系数。结果表明:拖曳力系数随植被密度的增大而增大,随坡度增大而减小;植被后的无量纲透射波高和无量纲岸滩爬高随着无量纲的入射波高的增大而减小,随着植被密度的增大而减小;当岸滩坡度增大时,无量纲透射波高增大而无量纲爬高并无显著差异。最后根据回归分析得出了岸滩爬高与相对入射波高、植被密度和岸滩坡度的幂函数型经验关系式。     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

淹没植被明渠边界切应力试验研究

生态河道中的植物在净化水质的同时增大了河道阻力,是抬高河道水位、影响河道行洪安全的原因之一.采用塑料草模拟植被,建立横断面为梯形的明渠水槽,研究植被淹没情况下明渠水深、流速以及植物间距对明渠切应力的影响.通过对研究水体的受力分析,推导出床面平均切应力计算公式;根据试验结果,计算得出不同条件下的边界平均切应力,分析不同水...     

刚性淹没球冠状植被水流特性试验研究

本文将植被体型概化为由球状树冠和主干组成的树状植被,采用Micro ADV测量了树状植被影响下明渠水流的流速分布,分析了不同流量和水深条件下4组树状植被对明渠水流的影响,着重研究了树状刚性植被水流的平均流动和紊动结构,比较了多个典型位置处水流的纵向流速、垂向流速以及紊动强度。试验结果表明,水深越小,无量纲纵向流速越大;树冠的形状对水流特性的影响较大,在树状植被附近,纵向流速的垂向分布在树干层近似均匀分布,在树冠层先减小后增大,在无植被层符合对数分布;紊动强度在树冠层较大,在树干层和无植被层较小;通过象限分析,发现下扫作用主要在植被层起主导作用,喷射作用主要在自由水层占主导。     

非淹没刚性挺水植被对弯道水流特性的影响

广泛分布于天然河道浅滩的植被能够改变河流局部的水力特性和泥沙运移过程,为了解植被对弯道水流特性的影响,针对特定流量下凸岸侧含有刚性挺水植被的弯道,对植被密度、位置不同时水流特性的沿程分布规律开展试验探究。通过建立弯道水流概化模型,利用ADV采集三维流速数据,对比无植被和有植被（植被密度分别为0、2.2%和4.5%）条件下的流速分布,定性分析不同工况下植被对弯道水流紊动特性的作用,确定弯道环流的结构及强度。结果表明,凸岸侧植被的存在（在0°~90°弯段,1/4河宽区间内均匀分布）能有效削弱弯道环流强度,但对凸岸区的消减效果并不随植被密度的增大而加强。非植被区上下不同流向水层的分界点位置随植被密度变化而变化,且植被分布对弯道各断面不同水深处的环流结构也有影响。     

部分植被明渠水流流动特性三维数值模拟研究

利用在sigma坐标下含有植被明渠水流三维数学模型,湍流模型采用鲁俊修正的Smagorinsky模型,用分步算法和有限差分离散求解控制方程,数值模拟研究了部分植被化明渠水流流动特性。分析了植被区域内流速和切应力分布特征以及明渠水流的流量和植被密度的关系,数值计算表明植被密度增加,明渠水流的流量减小,但随着植被密度增加超过一定定值,明渠水流的流量不变。     

生态沟渠淹没刚性植被局部水头损失系数研究

在生态沟渠的过流能力和断面尺寸设计中,断面阻水特性以及平均流速是非常重要的因素。以往的研究多基于力学平衡方程,但往往仅考虑了植被的阻水作用而忽略了沟渠边壁及底板的阻水作用。从能量方程角度,将植被引起的水头损失看作局部水头损失,把边壁和底板引起的水头损失看作沿程水头损失,对含刚性植被矩形水槽试验资料进行多元回归分析,得到了刚性植被局部水头损失系数ε的经验公式和断面平均流速v的计算公式,经试验资料验证,并与通过植被阻力系数Cd推求的流速相关公式对比,得出本文提出的刚性植被局部水头损失系数经验公式和含刚性植被矩形生态沟渠断面平均流速计算公式计算的精确度较高,可为生态沟渠的设计提供参考。     

刚性植被作用下复合明渠水流特性实验研究

为了研究在漫滩上生长有刚性植被的天然河道水流特性,在单侧具有二级漫滩的实验室复合水槽中,在一级和二级漫滩上布设刚性植被,进行了水流实验。根据水深,设置了四种不同方案(方案1-方案4),每种方案下,又根据漫滩上是否布置植被及植被的布置方式,设置三种子方案。利用三维激光多普勒测速仪(3D LDV)和水位计等仪器对水流流速、水位及紊动强度等物理量进行实测,计算了不同方案下的水头损失和水力坡降等,对实测数据进行了比较分析。实验结果表明,与无植被情形相比较,漫滩上布置刚性植被时,会在一定程度上增大植被区水面坡降、水头损失、水力坡降及紊流强度;在植被数相同时,植被交错布置方式比平行布置方式对水力要素的影响较大。     

含多重刚性植被明渠水流特性实验研究

水流环境中的植被会对水流结构产生影响,进而影响泥沙运移和水质等物理量。为此,在流体力学实验室水槽中开展了系列实验,用不同高度玻璃棒代替刚性植被,利用三维激光多普勒测速仪(3D-LDV)对含不同高度组合的多重植被的水流流速、水位和紊流强度等物理量进行测量。根据植被重数分单重植被、双重植被和三重植被3个工况,每个工况又根据淹没度不同分3个子工况。通过对比分析实测结果,得到了含多重植被水流运动的水力学规律。研究结果对河流、水库和湖泊管理具有一定的参考价值。     

柔性植物阻流特性研究

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,分析了含淹没柔性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。     

挺水植被弯曲变形对水流阻力的影响研究

为研究挺水植被在水流作用下发生的弯曲变形对水流阻力影响,通过明渠水槽实验对不同水流条件下单株挺水植被的弯曲变形状态及其水流阻力进行了观测分析。研究结果表明,挺水植被从完全直立转变为挺水弯曲摇摆状态时,水流阻力随着植被弯曲变形程度加剧而增加;当植被由挺水状态转为淹没状态时,水流阻力显著降低;当植被处于弯曲摇摆的淹没状态时,水流阻力同样会随着植被弯曲变形程度的加剧而增加;但是,当植被的弯曲变形增加到使得植被处于完全倒伏时,水流阻力反而会减少。研究成果有助于平衡河流生态治理与汛期泄洪的关系。     

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。     

簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε 紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。     

刚性植物对波高衰减和水流结构的影响

为了研究植物的消浪能力及对水流紊流特性的影响,开展室内水槽试验,用木棒模拟刚性植物,分析了5组植物区布置方案和4组波要素条件下的波高衰减和水流结构。结果表明:植物密度对波高衰减具有显著影响;波浪通过植物区时波高衰减的速率逐渐减小;在同等植物特征条件下,短波比长波衰减幅度更大;植物区内的拖曳力系数CD与低科勒冈-卡朋特(Keulegan-Carpenter)数KC之间存在二次函数关系,CD随着KC的增大而减小,且变化速率呈变缓的趋势;波高和植物密度的增大会引起植物区内部紊动能量ETK的增大;完全淹没植物条件下的ETK大于不完全淹没条件下的ETK;在完全淹没植物的影响下,从底面至水面ETK呈先增大后减小的规律,并在植物冠层处达到最大值。     

Some new data and formulas for resistance flow in fluvial open channels

Flow resistance in fluvial open channels, especially in steep gravel-bed channels, still presents challenges to researchers and engineers.This article presents some new data from both the flume experiments and field measurements.Data analysis using the divided hydraulic radius approach shows that the relative roughness plays a significant role in the bed form resistance.A new set of formulas that incorporate the relative roughness are proposed.As compared with several existing formulas, the proposed formulas can be used to better estimate the bed form resistance.     

Characteristics of Flow Resistance in Open Channels With Non-Submerged Rigid Vegetation

The flow resistance factors of non-submerged rigid vegetation in open channels were analyzed. The formulas of drag coefficient CD and equivalent Manning＇s roughness coefficient na were derived by analyzing the force of the flow of non-submerged rigid vegetation in open channel. The flow characteristics and mechanism of non-submerged rigid vegetation in open channel were studied through flume experiments.     

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.