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。     

含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

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...     

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。     

含淹没柔性水生植被群的弯道水流特性PIV试验研究

为了研究淹没柔性水生植被对弯道水流的影响，采用水槽试验的方法，在U形弯道水槽凸岸的25°和45°附近布置相同种类的塑料草模型植被群，设置植被密度分别为密集和稀疏2种工况，采用自动水位测量系统和粒子图像测速仪(PIV)等仪器分别测量了在不同工况下植被附近及U形弯道水槽内水流的流速和水位，研究不同密度(株数/m²)的柔性水生植被对水流运动规律的影响。同时，利用测量结果对水位变化、水流流速分布、横比降变化、水头损失、水力坡降等规律进行分析。试验结果表明，弯道凸岸的水流在不同植被密度下各个断面(25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°)的流速大小变化均呈先下降后趋于平稳的趋势；凹岸的水流在不同植被密度下各个断面的流速大小变化情况差异较大，在60°断面密集植被的流速小于稀疏植被的流速，同时在150°断面大幅度上升后再下降并在弯道出口处大于稀疏植被的流速；植被群增大水头损失和水力坡降，其中密集植被群影响最大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

柔性植被和刚性植被水流水动力学特性研究

为了深入揭示植被水流的内在规律,系统研究了刚性和柔性植被覆盖下坡面流水动力学特性。结果表明:刚性或柔性植被覆盖下,水流平均流速均随流量增大而增大,刚性植被对流速的减缓效果优于柔性植被;刚性植被覆盖下,弗劳德数小于1,处于缓流流态,阻力系数随雷诺数和流量增大呈单峰形式变化;柔性植被覆盖下,随流量增大,弗劳德数逐渐增大,由缓流过渡到急流,阻力系数随雷诺数和流量增大均呈减小趋势。在生态工程建设过程中,同种植被应该选取刚度较大的植被类型。     

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。     

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。     

河道含淹没刚性植物二维涡量场特性

含植物水流的涡量场构成了水生动物生境的物理基础,形成水、物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没刚性植物二维垂直涡量场的分布,得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素。植物顶层附近对水流的干扰大,因而流速梯度大;涡量最大值出现在淹没刚性植物顶层以下约30%处;植物顶层处,涡量绝对值大,拟熵大,能量耗散率也高。植物顶层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

含淹没植物的水流阻力试验研究

河道中存在水生植物会改变水流阻力,在大多数情况下会导致水位抬高,降低河道的泄洪能力。然而,水生植物的存在对河道治理、边滩保护、水质净化等起积极作用。为了探索河道中水生植物对水流阻力的影响,在实验室水槽中进行了不同密度的流淹没刚性植物水流试验,观测了沿程的水位变化,计算了水面坡降,基于试验资料分析了雷诺数、植物密度对糙率系数的影响,并建立拖曳力同植物水流特征粗糙度对数关系表达式,丰富了植物条件下明渠流动的试验观测资料数据库。     

明渠岸边侧向45o取水口的水力特性试验研究

利用单点三维流速测量仪(ADV)对顺直明渠岸边侧向45°取水口的近区水域进行了三维流速测量。以分流流速比η为主要参数,分析了取水口近区水域的水力特性,包括取水分流宽度、分槽回流特性及口门断面紊动特性等。将本文的部分试验结果与90°取水口的结果进行了对比,结果表明45°取水口附近的水流更加平顺,口门断面处的流速分布更加均匀,分槽内净进流宽度更大。