含刚性沉水植物明渠水流结构试验和数值模拟研究

论文摘要

植物是水生态系统必不可少的组成部分,有必要去研究植物对水流结构的影响,越来越多的研究者关注这一基础研究。本文较系统地阐述了国内外对含植物明渠水流问题的物理试验研究和数值模拟研究进展情况,在此基础之上,利用粒子图像流速仪(PIV)对含刚性沉水植物明渠的水流结构进行了室内试验研究,分析了不同植物密度、不同来流流量以及不同相对水深条件下流速、紊动强度、雷诺应力以及涡量强度的分布特点。本文还利用流体计算软件FLUENT,采用雷诺应力紊流模型,VOF方法捕捉自由水面,将植物带区域概化为多孔介质区域,对含刚性沉水植物明渠二维流场进行了数值模拟。主要研究成果有:(1)无植物时平均流速沿垂线呈对数分布规律,有植物存在时流速沿垂线的分布呈现明显的分区分布特性。这种分区分布特性与植物的种植密度、相对水深以及来流流量等因素有关。相对水深较大时,平均流速沿垂线的分布规律适合二区分布;相对水深较小时,平均流速沿垂线的分布规律更适合三区分布。每个分区的流速分布特点不一样,Ⅰ区流速为一比较小的数值,Ⅱ区流速随着水深的增加而增大,Ⅲ区的流速保持一比较大的数值几乎不变。相对水深越大,Ⅲ区的范围越大,流速最大值也越大。Ⅱ区的流速梯度以及所达到的流速最大值都随着密度或流量的增大而增大。本文根据流速分区分布的特点和前人的研究成果,针对植物上方的流速提出了新的经验表达式,由经验公式计算的流速与实测值吻合较好。(2)无植物时紊动强度值沿水深方向变化不大;有植物存在时在植物冠层处紊动最剧烈,紊动强度值最大,靠近水面处,紊动强度较小,变化亦较小。来流流量或植物密度越大,植物冠层处的紊动强度也就越大,紊动强度由最大值减小到最小值的区域受到植物密度的影响较大。相对水深比较小时,紊动强度在植物冠层达到最大值后逐渐减小至水面处;相对水深比较大时,紊动强度在水面下方一定距离减小至最小值,而后保持这一数值变化不大,相对水深越大紊动强度变化不大的范围也越大。雷诺切应力的分布规律与紊动强度相似。(3)随着流量的增加,植物冠层处的涡量强度也越大。植物冠层附近涡量强度受流量的影响较大,而在水面附近和植物带内部涡量强度受流量的影响较小。植物密度对涡量强度的影响规律不是很明显。相对水深比较小时,涡量强度在植物冠层处达到反向最大值,而后数值一直减小到水面处,相对水深比较大时,涡量强度在水而下方一定距离减小到最小值,而后涡量强度的数值大小变化不大。(4)本文用多孔介质区域代替刚性沉水植物,选取雷诺应力紊流模型,采用VOF法捕捉自由水面,建立的数学模型是可靠的,能够较好的模拟含刚性沉水植物水流运动。

论文目录

摘要

Abstract

符号说明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 模型试验研究

1.2.2 数值模拟研究

1.3 本文研究内容

1.4 技术路线

2 试验装置与试验方法

2.1 试验装置及试验材料

2.2 量测仪器

2.2.1 电磁流量计

2.2.2 水位测量

2.2.3 粒子图像测速仪（PIV）

2.3 试验工况及试验方法

2.3.1 基本参数

2.3.2 试验工况

2.3.3 试验方法

2.4 PIV的率定试验

2.5 本章小结

3 含刚性沉水植物明渠水流特性的试验研究

3.1 含刚性沉水植物明渠平均流速分布特性研究

3.1.1 含刚性沉水植物明渠植物上部的流速分布公式

3.1.2 流速分布公式计算值与他人试验值的比较

3.2 含刚性沉水植物明渠紊动强度分布特性研究

3.3 含刚性沉水植物明渠雷诺应力分布特性研究

3.4 含刚性沉水植物明渠涡量场特性研究

3.5 本章小结

4 含刚性沉水植物明渠水流特性的数值模拟方法研究

4.1 控制方程

4.1.1 基本方程

4.1.2 RNGk-ε模型和雷诺应力模型

4.2 数值离散及求解方法

4.3 自由液面的处理

4.4 多孔介质模型

4.5 网格划分

4.6 边界条件

4.7 计算结果分析

4.8 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁雪

导师: 吉庆丰

关键词: 刚性沉水植物,明渠水流结构,垂线流速分布,紊动强度,涡量强度

来源: 扬州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 扬州大学

分类号: TV133

DOI: 10.27441/d.cnki.gyzdu.2019.000724

总页数: 76

文件大小: 7304K

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