發(fā)布時間：2020-10-22 03:29

　　 水生植被于自然界中廣泛存在,是河流生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的組成部分。水生植被不僅影響著河流生態(tài)系統(tǒng)健康,而且能夠抵御水流對河床與邊坡沖刷,起到維護河床穩(wěn)定與保護河岸邊坡的作用。因此,在環(huán)境水力學(xué)領(lǐng)域內(nèi),植被水流的水動力學(xué)特性已經(jīng)成為了一個研究重點。在之前的剛性植被水流模擬研究中,學(xué)者們選用圓柱形木棒近似地模擬水生植被,然而本文以實際水流中莖稈粗細變化的植被作為研究對象,通過采用理論推導(dǎo),水槽試驗與數(shù)值計算三者相結(jié)合的方式研究了生態(tài)特征沿垂向變化的植被對水流的水動力學(xué)特性影響,所得到的主要成果如下:基于植被水流和多孔介質(zhì)流的相似性,本文將河道中的水生植被視為固體骨架,并引入多孔介質(zhì)理論對植被水流進行研究。首先,采用Biot多孔彈性理論得到了植被密度沿水深變化時植被水流的控制方程。在研究的過程中,引入了多孔介質(zhì)的相關(guān)參數(shù):孔隙率,迂曲度和滲透率來描述植被水流的流動特性。本文詳細研究水生植被沿垂向變化的生態(tài)特征,建立了植被水流孔隙率與植被截面形狀、竿莖粗細、水深等的函數(shù)關(guān)系式,并以此來表征由植被竿莖粗細引起的垂向植被密度變化。采用迂曲度與滲透率來表征水生植被對水流傳導(dǎo)運動的影響。然后假設(shè)紊動粘性系數(shù)與水深滿足線形函數(shù)關(guān)系,提出了一個新的紊流模型,并采用試驗數(shù)據(jù),代數(shù)應(yīng)力模型以及雷諾切應(yīng)力模型驗證這個紊流模型的準(zhǔn)確性與合理性,結(jié)果表明新的紊動模型能夠準(zhǔn)確、合理地表達水流中的紊動特性。最后,通過修改控制方程中的紊動項與密度變化項,得到不同工況下的植被水流控制方程,證明本文提出的控制方程具有極廣泛的適用性,可以用于各種工況下植被水流研究。采用有限分析法對控制方程進行求解,根據(jù)不同情況下的邊界條件,分別得到了挺水植被水流與淹沒植被水流流速的有限分析解。其中,對于淹沒植被水流分為上層純水區(qū)與下層植被區(qū)分別進行求解。根據(jù)孔隙介質(zhì)中水流運動機理和植被水流試驗數(shù)據(jù)分析,提出了相對最優(yōu)的滲透率計算公式,此公式在一定范圍內(nèi)具有較高的精度,能夠滿足不同工況下淹沒植被水流的水動力學(xué)特性研究。在水槽試驗中,選用圓臺型木棒模擬垂向生態(tài)特征變化的水生植被,通過改變流量與植被密度分別對挺水植被水流與淹沒植被水流流速進行測量,并將測量結(jié)果進行時間與空間平均化處理,以確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然后將實測結(jié)果與流速分布的有限分析解進行對比,結(jié)果證明試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果能夠很好地吻合,說明本文提出的控制方程與計算方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測出孔隙率沿水深變化的植被水流的流速分布。此外,基于標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型,采用開源軟件OpenFOAM不可壓縮粘性流體模塊下的inter FOAM求解器對孔隙率變化的挺水植被水流流速進行了計算。數(shù)值模擬的結(jié)果與有限分析解具有相同的變化趨勢且可以較好的吻合,進一步證明本文得到的流速有限分析解能夠很好的預(yù)測出實際植被水流中的流速分布。分別將流量、植被密度以及紊動系數(shù)當(dāng)作變量來討論變化的孔隙率對植被水流的影響。可以看出流量僅改變植被水流的流速大小,而植被密度則影響孔隙率變化范圍,不僅改變植被的大小,又影響流速的分布。同時研究發(fā)現(xiàn),與植被紊流相比,沿水深變化的孔隙率對植被層流的影響要更加明顯。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV133
【部分圖文】：

孔隙率沿水深變化的植被水流水動力學(xué)特性研究二章孔隙率沿水深變化的植被水流控制方介質(zhì)是由固體骨架和大量密集的化隙所構(gòu)成的物質(zhì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特的河道很相似。因此本文將植被水流模擬為多孔介質(zhì)流，在此基拙動力學(xué)特性進行研巧。由于在研究過程中引入了多孔介質(zhì)的相關(guān)參介質(zhì)進行簡單的介紹。??介質(zhì)流動??孔介質(zhì)簡介??

孔隙率沿水深變化的植被水流水動力學(xué)特性研充在河床上，孔隙連續(xù)且不存在滯留孔隙，所Ｗ有效孔隙體積即為孔隙總體積，＝?（Ｖｐ％。??．４迂曲度??迂曲度是一個微觀參數(shù)，表征了多孔介質(zhì)中毛細管道的彎化程度，定義為流度與樣品長度的比值：??Ｔ。二氣?（２中，ｒ〇為多孔介質(zhì)的彎曲度，為無景綱，心為流動路巧的＆度，Ｌ樣品的民度。曲度越窩，ｒ〇越大。如圖２－２可Ｗ看出多孔介質(zhì)中的彎曲孔巧結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，路徑具巧隨機性與不規(guī)則性，所Ｗ想耍準(zhǔn)確地測量迂曲度非巧困她，通巧采用法與數(shù)値模擬確定迂曲度。??

ｙｙ??Ｋ為卡口通用常數(shù)。??此奈流切應(yīng)力為：??２?２?ｄｕ了１?二?ｐＫ?ｙ?—＼ｄｙ）??似的零方程模型還有假設(shè)奈動枯巧系數(shù)與水深為線性函數(shù)、二次函數(shù)，其表達式分別為：??ｔ，＝Ｐｐｎ?ｄｙ??￣Ｔ￣＼ｈ）?ｄｙ??奸?１－引矣／ｚ?Ｙ?ｈ?Ｊ?ｄｙ??公為案動系數(shù)，單位為ｍ２／ｓ。??模型驗證??１．０?Ｉ?１?１?■?Ｉ?！?Ｉ?ｎ?Ｔ??
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本文編號：2851030