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。     

柔性植物消浪及沿程阻流特性试验研究

采用聚乙烯仿真绿色植物模拟柔性植物,通过物理模型试验研究了柔性植物对波高和断面流速分布的影响,结果表明:波高消减系数大小与水流速度大小无明显关系;植物出水0.5倍波高时消浪效果最好,水深越大波浪消减效果越差;柔性植物使断面流速在植被上部冠层区域减小,特别是植被带中和植被带下游边缘处,冠层区域流速减小显著;水流通过植被带以后,在植被带下游断面流速垂向分布逐渐恢复至与上游断面一致,但大流速情况下流速恢复较慢;波流共同作用下断面流速的垂向分布与纯流速作用下基本一致,但在波浪作用下断面流速减小区域有下移趋势。     

溢流反弧段的紊流边界层及摩阻特性

本文介绍不同曲率半径和不同粗糙度时反弧段紊流边界层的研究成果，导出反弧段的摩阻计算公式，并计算了反弧段摩阻流速及壁面切应力等，发现在反弧末端，壁面切应力明显增大，对粗糙度变化反应敏感。     

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。     

含柔性植被水槽水流特性试验研究

河道、水库、渠系、湖泊中的水生植被会对水流特性产生较大影响,从而影响泥沙输移、灌溉、排水及水环境等。为了研究柔性植被对水流的影响,在实验室水槽中,用塑料草代替水生柔性植被进行了系列实验,利用三维激光多普勒测速仪等仪器测量了植被区在不同工况下的水位、三维流速、植被的倾斜角度、湍流强度等,并研究了它们与植被疏密程度和流量大小的关系。结果表明:植被区水位、倾斜角随着植被疏密程度和流量大小的变化而发生变化;植被区的流速大小、湍流强度均大致呈规律性的几何形状分布。研究结果在水利工程及环境工程等领域具有较大的应用价值。     

变断面明渠柔性植物水流特性试验研究

在变断面明渠,利用ADV测量流速,研究断面突然扩大情况下模型植物和真实植物的水流特性。结果表明:在水流稳定区域,布设真实鸢尾草和塑料鸢尾草模型的流速分布、雷诺应力分布和紊动强度分布具有一定相似性;雷诺应力和紊动强度在相对水深为0.6～1.1区域达到峰值,且从峰值区域向两端递减,总体上植物下部区域的紊动强度比植物上部区域大;同种植物紊动强度沿x、z方向的分布形式存在较大差别,紊动强度存在明显各向异性。     

植物"柔性坝"对水流影响的试验研究

用生态措施治理水土流失是利用自然、改造自然的一种有效方法．通过室内水槽模型试验．探讨了植物“柔性坝”的布置方式、种植密度对河渠水流的影响．由试验得出，植物“柔性坝”可以起到阻缓水流、拦截泥沙的作用，并且植物“柔性坝”的种植密度和坝长不同，阻水作用亦不同．试验表明，坝长的阻水作用较坝的密度要大得多．在以多坝的形式布置时，两坝之间的水深、流速的大小与坝间距离有关．坝间的水深随着坝距的增大而减小，流速随着坝距的增大而增大．     

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。     

Investigating the turbulent flow characteristics in an open channel with staggered vegetation patches

In the present study, flow around circular and staggered vegetation patches was investigated numerically. For turbulence modelling, the Reynolds‐averaged Navier–Stokes technique and Reynolds stress model were adopted. The numerical model was validated with the experimental data using varying vegetation density and flow velocities. The simulated results of mean stream‐wise velocities were in close agreement with the experimental results. The results show that the mean stream‐wise velocity in the downstream regions of vegetation patches were reduced, whereas the velocity in the free stream regions were increased. The influence of neighbouring and staggered vegetation patches on the flow was observed. The vegetation patches with larger nondimensional flow blockage (aD = 2.3, where a is the frontal area per volume of patches, and D is the diameter of vegetation patches) offered more turbulence when compared to the patches with a smaller flow blockage (aD = 1.2). Larger turbulence in the form of kinetic energy and turbulent intensity was recorded within the vegetation as well as the regions directly behind the patches. Negative Reynolds stresses were observed at the top of submerged vegetation. The turbulence characteristics peaked at the top of vegetation, that is, z/h = 1.0 (where z is the flow depth, and h is the vegetation height), which may be migrated vertically as the frontal area of the vegetation patch is increased. This high frontal area also increased stream‐wise velocity above the vegetation, leading to an increased variation in turbulence around the vegetation canopy.     

淹没柔性植被明渠恒定水流水力特性研究

采用三维多普勒超声测速仪(ADV)对淹没柔性植被明渠恒定水流的水力特性进行了实验研究。采用羽毛来模拟天然河道的柔性植被,对不同的植被密度、不同淹没度和不同流量条件下柔性植被明渠恒定水流流速场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速和雷诺应力沿垂向的分布。分析表明,植被上层区域与植被区域水流表现出不同的水力特性,植被上层区域的雷诺应力近似为直线分布,纵向流速呈经典的对数律分布;而植被区域,纵向流速则呈“S”型分布。在分析植被上层水流雷诺应力与纵向流速的关系的基础上,利用普朗特混合长度理论推导了植被上层水流流速的理论表达式,理论公式所得结果与实测数据符合良好。     

含柔性沉水植物明渠水流运动特性试验研究

采用激光多普勒流速仪(LDV)试验研究含柔性沉水植物的水流运动。试验结果表明:流速沿垂线分布呈S形,分为3个区域,即植物内部区、过渡区和上部区。植物密度对过渡区内流速影响显著,在该区内,植物密度越大则流速梯度越大。含植物水流的紊动强度和雷诺应力都明显增大,它们在垂线分布上有相似之处,都是在植物顶层的位置上达到最大值,说明在此区域内存在较强的能量交换和剪切作用;二者在植物顶层上部区域随着水深的增加而减小,在植物内部区随着水深的增加而增大。     

柔性植物影响下水沙运动及物质输运研究进展

水生植物是河流、湖泊、滨海湿地环境中不可缺少的一部分,植物的存在使水动力条件发生了改变,进而影响了泥沙悬浮和污染物的输运。从恒定流和波浪两种水动力条件出发,针对柔性植物影响下的水流阻力、水流结构、紊动特性、特征流速、消波系数、泥沙运动、污染物输运等方面,综述了国内外的主要成果,并指出复杂水动力条件下的植物-水流-泥沙-污染物之间的相互作用规律是今后研究的重点和难点。     

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。     

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。