亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于Fluent仿真軟件的灘地植被作用下復式河道水動力特性的精細化數(shù)值模擬

        2021-05-07 07:46:22楊穎宜李東子馬永順張明亮
        大連海洋大學學報 2021年2期
        關(guān)鍵詞:植物

        楊穎宜,李東子,馬永順,張明亮

        (大連海洋大學 海洋科技與環(huán)境學院, 遼寧 大連 116023)

        在自然界中,大多數(shù)河道通常是由主槽和灘地等單元構(gòu)成,其橫斷面呈復式形態(tài)。在枯水期間主要在河道主槽內(nèi)泄流,洪水期間,水流溢出河道主槽漫溢至灘地,形成淹沒過流。在這些灘地上,一般都生長不同層次或不同類型的植被,如矮小的草、低矮的灌木及高大的喬木等。傳統(tǒng)的觀點認為,河灘上生長的植物不僅可以減緩水流速度,減少水土流失,穩(wěn)固河岸,還可起到凈化水體、美化環(huán)境的生態(tài)作用,河道灘地植被是一種既經(jīng)濟又有效的生態(tài)治河措施[1]。然而,在洪水期,這些生長在灘地的植被在一定程度上會改變?yōu)┎蹆?nèi)部原有的水流流動結(jié)構(gòu),而植物和水流間的相互作用會使河道中部分水流的能量轉(zhuǎn)換成了在植物附近產(chǎn)生的湍流動能,從而降低河道的行洪能力。因此,了解河道灘地植被對水流的擾動特性,進而分析灘地植被作用的利弊關(guān)系,其結(jié)果對于水利防洪、護堤工程及河道生態(tài)保護與修復等工作都有著重要的研究意義。

        目前,河道灘地植被在堤岸的固灘、護堤及防洪中的問題受到越來越多的關(guān)注,已經(jīng)成為當前研究的熱點,國內(nèi)外諸多學者對河岸生態(tài)護坡開展了相關(guān)研究工作。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算理論的發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)在試驗水槽、湖泊、河流、海灣及海岸等工程中得到成功的應用,應用二維和三維數(shù)學模型對局部植被作用下明渠流動的模擬研究在國內(nèi)外也有較多的報道。如Su等[2]應用大渦模型模擬了植被作用下明渠水流的三維流動特性,解釋了剛性植物與水流相互作用規(guī)律。Wilson等[3]通過數(shù)學模型研究了不同的柔性植物對水流流動的影響。Li等[4]使用三維大渦模擬方法計算了明渠中植物與水流的相互作用。上述學者的研究中,均在模型方程中增加植物拖曳力項來表達植物對水流的阻滯作用,其拖曳力與植物的參數(shù)有關(guān),主要包括植物類型、密度、高度、直徑、剛?cè)嵝缘刃畔?。另外,Asaeda等[5]、Benjankar等[6]、Asami等[7]分別結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)研究了濱岸植被河岸穩(wěn)定性的力學機理,以及樹木、河道形態(tài)與潰堤洪水演進之間的相互作用。Ghani等[8]運用Fluent軟件分析了植被明渠水流縱向和橫向流速的垂向分布特征,并給出了植物區(qū)內(nèi)湍流強度的變化規(guī)律。還有一些學者針對植被與水流的交互作用也做了許多研究工作,如張明亮等[9]建立了三維曲線坐標下的k-ε雙方程湍流數(shù)學模型,在動量方程和湍流方程中增加拖曳力源項來考慮植被對水流和湍流動能的影響,分析了在淺水植被作用下復式明渠內(nèi)的流體運動特征。劉彥東等[10]將柔性沉水植物區(qū)域概化為多孔介質(zhì)區(qū)域,采用RNGk-ε雙方程湍流模型對含柔性沉水植物河道的三維水動力特性進行了數(shù)值模擬。黃本勝等[11]將珠江三角洲典型的窄灘河道概化為簡單復式斷面河道,通過對有無植被條件下灘地的水動力進行模擬,定性分析了灘地有無種樹對窄灘復式河道水動力特性的影響。Zhao等[12]基于三維數(shù)學模型對水流在不連續(xù)的間斷剛性植被區(qū)進行了模擬,進一步分析了不同密度斑塊植被分布對水流流動結(jié)構(gòu)的影響。對于復式河道來說,由于自身的斷面特點,導致其內(nèi)部流體運動比較復雜,再加上灘地植物與水流間的相互作用,使其水動力特性變得更加復雜。此外,灘地上植物的排列形式、植物密度及生長高度也是擾動復式河道水體流動的重要因素。就目前而言,灘地植被對河道行洪會產(chǎn)生怎樣的影響,以及不同高度灘地植物對河道水動力特性的影響機制等尚不明晰,而且國內(nèi)外涉及此類問題的研究主要是通過植物拖曳力將植被阻力進行簡單量化,對水動力與植被交互作用的精細化模擬研究尚不多見,因此,相關(guān)研究工作亟須開展。

        本研究中,基于計算流體動力學仿真軟件Fluent,對含有剛性植被的復式斷面明渠水流進行了數(shù)值模擬。首先通過有無植被作用下的物理模型試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的準確性,進而分析了不同高度植被作用下復式河道的流場分布規(guī)律,重點研究了灘地植被對灘槽水體能量交換特性的影響機制,并對變化入流流量條件下主流流速和紊動強度沿垂線的分布規(guī)律進行了探討,以期能精細化模擬灘地植被對復式河道水動力特性的影響,為河流防洪工程、河道淺灘整治及生態(tài)護岸等工程的實施提供科學依據(jù)。

        1 數(shù)學模型

        1.1 基本方程

        連續(xù)方程:

        (1)

        動量方程:

        (2)

        湍流動能方程:

        Gk-ρε;

        (3)

        耗散率方程:

        (4)

        其中:u、v、w為水體在x、y、z3個方向的流速;p是流體的動水壓強;ρ為水體的密度;k為流體湍流動能;ε為湍流動能耗散率;Γφ為有效黏性系數(shù);Cε1、Cε2、σk、σε為湍流常數(shù),Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.3;Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項[9]。

        1.2 數(shù)值求解方法

        Fluent軟件具有先進的數(shù)值計算方法和強大的前后處理功能,是當前世界上最先進的流體力學仿真軟件之一。Fluent軟件采用有限體積法離散三維N-S方程,采用壓力速度耦合方式(SIMPLE算法)求解離散的方程組。Fluent軟件具有多個湍流流動模型,其中,標準k-ε湍流模型具有較高的計算精度和效率,已在不同工程算例中得到成功的應用,因此,本研究中采用標準k-ε湍流模型封閉N-S方程中的雷諾應力。此外,網(wǎng)格劃分與生成是決定模型成功與否的重要因素之一。Fluent軟件可以采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分計算域,也可采用兩者相融合的方式,使網(wǎng)格更加靈活簡便。在計算過程中,當某一變量殘差小于1×10-6,且所有模擬變量隨時間的變化基本保持不變時,認為計算收斂,計算任務結(jié)束。

        1.3 邊界條件設置

        本次計算模擬為帶有復式斷面河槽的均勻水流,其邊界條件設置如下:

        進口邊界:上游進口給定流速、湍流動能及湍流動能耗散率。入口速度(v0)是利用平均流速來控制河道入流流量大小,其值設置為v0=0.365 m/s,湍流動能k=4.805 608×10-3m2/s2,湍流動能耗散率ε=9.481 236×10-5m2/s3。下游出口邊界為壓力出口。

        固體壁面邊界:計算域底邊界和兩側(cè)壁邊界,采用無滑移的固壁條件,并由壁面函數(shù)法處理。

        水面邊界:假設水面無剪切和滑移速度,當自由界面處理,壓力值為標準大氣壓。

        2 模型驗證

        2.1 物理模型描述

        采用楊克君[13]水槽試驗中的工況1和工況2作為驗證算例,其中水槽長16 m、寬0.3 m、高0.4 m,坡度s=0.125%。此試驗的工況1不存在植物,工況2中用彈性模量較小的塑料管來模擬灘地植被,以交錯的方式種植在距槽首8.2 m~11.2 m的范圍內(nèi),如圖1(a)所示,B為灘槽總寬度,B1為灘地寬度,B2為主槽總寬度,L為植被區(qū)域總長度。該試驗的測量斷面位于距離槽首9.6 m處,在斷面上選取4條垂線沿深度方向進行速度測量,每條垂線分別距灘地的壁面8、13、22、26 cm,分別位于灘地中心、灘槽交界處、主槽邊坡起點及主槽中心位置[13],如圖1(b)所示。本研究中主要應用Fluent軟件對植被作用下流體運動的物理模型試驗進行精細化模擬,進而探究灘地植被對灘槽水流的動量交換和水流阻滯的影響機制。在工況1和工況2的基礎上,本研究中改變了植物高度,分別為14、4.8 cm,即增加了工況3和工況4,具體的特征參數(shù)如表1所示。

        表1 復式河道的特征參數(shù)與計算域網(wǎng)格信息Tab.1 Parameters in the compound channel and grid information for the computed domain

        在數(shù)值模擬中,由于計算域的大小會直接影響模型的計算效率,為減少數(shù)值模擬的計算耗時和確保計算的準確性,本研究中的計算區(qū)域為9 m,植被區(qū)前后分別選取3 m,以及整個植被區(qū)域。應用Fluent前處理軟件Meshing對4個工況的計算域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,剛性植物被當作固體不透水邊界來處理(圖2)??紤]到植物區(qū)內(nèi)植被分布比較復雜,其流態(tài)變化劇烈,因此,必須對植被區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理,以保證獲取高精度的計算結(jié)果。針對不同的計算工況劃分網(wǎng)格,計算域的網(wǎng)格信息如表1所示,水平方向最小網(wǎng)格單元約為0.001 2 m,垂直方向最小網(wǎng)格單元約為0.000 46 m。

        圖2 計算域植被區(qū)附近的網(wǎng)格示意圖Fig.2 Mesh sketch near vegetation domain

        2.2 水動力模型的數(shù)值結(jié)果驗證

        首先對工況1進行模擬分析,主要是驗證Fluent軟件中模型參數(shù)設置的正確性。在該算例中,其計算結(jié)果的橫縱坐標分別被無量綱化,Hr=z/H為相對高度,其中z為測點距水面的距離,H為水深,則河床底部相對高度為0,水面相對高度為1;u/v0為相對速度,其中u為水流速度,v0為入口流速。圖3給出了工況1的不同測點主流速度計算值和實測值的對比結(jié)果,由圖3可知,數(shù)值模擬結(jié)果與測量值符合較好,4個測點主流速度的垂向分布基本呈現(xiàn)對數(shù)分布。由于水槽底部存在摩擦阻力,使水槽底部的主流速度較小,隨著相對高度的增大,主流速度在垂向上也逐漸增大。圖4為工況2各測點主流速度沿水深方向的計算值和實測值的對比結(jié)果,當灘地有植物作用時,測點1主流速度的垂向分布不再服從對數(shù)分布,在植被區(qū)的流速變化幅度很小,在植物和水流的過渡層區(qū)域,存在較大的速度梯度,主要原因是植被冠層的阻力影響,在植被冠層以上區(qū)域的速度呈現(xiàn)出對數(shù)分布規(guī)律。測點2(d=13 cm)位于灘槽交界處,速度計算值和實測值略有差距,主要原因是模型未考慮植物在水流作用下的變形,同時灘槽交界區(qū)的流態(tài)復雜,其二次流對植物的橫向變形也產(chǎn)生了一定影響[9]。由于測點3和4(d=22、26 cm)遠離植物區(qū),其主流速度沿深度方向符合對數(shù)分布規(guī)律。

        圖3 工況1條件下主流速度模型計算值和實測值的對比驗證Fig.3 Comparison and validation of the calculated and measured velocities of main stream in case 1 condition

        圖4 工況2條件下主流速度模型計算值和實測值的對比驗證Fig.4 Comparison and validation of the calculated and measured velocities of main stream in case 2 condition

        圖5為有無植被工況(工況1、工況2)模擬的主流流速等值線圖,當河道灘地內(nèi)無植物存在時,斷面速度的分布比較均勻,說明在此水深條件下,灘地流量分配比較大,能夠承擔復式斷面河道的過流流量;當灘地種植植物后,由于植物的阻礙作用其水體流速明顯減小,在植物域內(nèi)存在明顯的低流速區(qū),主流轉(zhuǎn)移到河道主槽內(nèi)。由此可見,灘地存在植物將導致其過流能力減弱,這種作用將直接影響洪峰期河道的行洪效果。

        圖5 有無植被條件下模擬的橫斷面流速等值線圖Fig.5 Simulated velocity contour plots in the absence and presence of vegetation

        2.3 植物高度變化對水動力特性的影響

        為了研究灘地植物高度對復式斷面明渠水動力特性的影響,在水深恒定條件下,構(gòu)建了灘地長有不同高度植物的模擬場景(表1中工況2、工況3、工況4),其相對應的植物高度分別為9.6、4.8、14.0 cm。由于灘地上的水深為14 cm,因此,植物高度4.8、9.6 cm工況為淹沒狀態(tài),而植物高度14.0 cm工況為非淹沒狀態(tài)。圖6給出了不同植物高度條件下各測點主流速度的對比結(jié)果,針對淹沒工況,植物高度的變化對灘地中心位置的主流速度影響較大,尤其是在植物頂部處速度的變化最為顯著(圖6(a));在非淹沒工況,水體主流速度沿水深方向幾乎無變化。在灘槽交界處,受灘地植被高度的影響,其主流速度變化較大(圖6(b))。在主槽區(qū),盡管灘地植物的高度不同,但其主流速度垂向分布大體一致,由于主槽底部存在摩擦力,水體靠近主槽底部的流速較小,隨著相對高度增加,主流速度逐漸增大,到達水面時的速度為最大(圖6(c)、(d))。此外,由圖6還可以看出,灘地植物的存在對灘地區(qū)和主槽區(qū)的主流速度影響較大,灘地植物越高,灘地植物區(qū)流速越小,而主槽區(qū)的主流速度則越大。

        圖6 不同測量位置主流速度的對比驗證(灘地種植不同高度植物)Fig.6 Comparison of main stream velocity in different positions (under the conditions of different height floodplain plant)

        圖7為工況1條件下不同測量位置的湍流動能計算值對比結(jié)果,4個測點的湍流動能最大值均出現(xiàn)在近水槽底部的邊界層內(nèi),其最大值在0.000 9~0.001 2 m2/s2。隨著相對高度的增大,湍流動能逐漸減弱,接近水面湍流動能趨于平緩,這與楊紀偉等[14]的相關(guān)研究結(jié)果一致。

        圖7 不同測量位置模擬湍流動能的對比(工況1)Fig.7 Comparison of the simulated turbulent kinetic energy in different positions(case 1)

        圖8為不同植物高度條件下計算的湍流動能垂向分布曲線,由圖8(a)、(b)可知,在灘地中心和灘槽交界處,淹沒狀態(tài)(4.8、9.6 cm)的植被工況計算的湍流動能曲線呈“>”型,并在植物冠層頂部位置附近湍流動能出現(xiàn)峰值,隨著相對高度增大,植被冠層對水流的干擾逐漸減弱;非淹沒狀態(tài)(14.0 cm)植被工況計算的湍流動能幅值變化不大。由圖8(c)、(d)分析可知,在主槽區(qū)與主槽邊坡起點位置的測點,在不同高度植被作用下其湍流動能的峰值出現(xiàn)在水槽底部附近,相對高度大致相同,且發(fā)展趨勢基本一致。

        圖8 不同測量位置湍流動能的對比(灘地種植不同高度植物) Fig.8 Comparison of turbulent kinetic energy in different positions(under the conditions of different height floodplain plant)

        圖9為工況2條件下計算的斷面二次流場矢量圖,通過分析發(fā)現(xiàn),由于剛性植被的阻力作用,在植被區(qū)附近形成較大的橫向速度,此為形成斷面二次流態(tài)強烈的擾動源,并向周圍擴散,二次流會向主槽方向移動,形成順時針方向的二次流環(huán)流。

        圖9 灘地植物作用下的斷面二次流場矢量圖(工況2)Fig.9 Secondary flow vector diagram in the presence of floodplain plant(case 2)

        圖10為工況2條件下計算的水平速度矢量圖(相對高度Hr=0.3),由圖10可知,植株前流場變化相對平緩,在兩個單株植物帶間,流速變大,在植株后存在流速低速區(qū)。

        圖10 植物帶的水平速度矢量圖(工況2,Hr=0.3)Fig.10 Velocity vector diagram near plant belt in horizontal direction(case 2,Hr=0.3)

        2.4 入流流量變化對水動力特性的影響

        為了研究入流流量變化對植被區(qū)及主槽區(qū)的主流流速及湍流動能的影響,本研究中針對工況2設計了3種入流流量邊界條件,流量分別為10.95、17.72、22.21 L/s。從圖11可見,在水深一定的情況下,入流流量越大,4個測點相應的主流速度也越大。

        圖11 不同入流流量條件下主流速度的對比(工況2)Fig.11 Comparison of the simulated main stream velocity with varied inflow conditions (case 2)

        從圖12(a)可見,植物冠層頂部是分界點,冠層頂部以下區(qū)域計算的湍流動能隨入流流量變化不明顯,在植被冠層以上區(qū)域,隨著入流流量的增加,計算的湍流動能幅值增大,變化趨勢呈先增大后減小。從圖12(b)可見,位于灘槽交界處區(qū)域,隨著入流流量增加,計算的湍流動能值相應增加,總體變化趨勢一致。從圖12(c)、(d)可見,位于主槽內(nèi)區(qū)域,入流流量和湍流動能呈現(xiàn)明顯的正相關(guān),變化趨勢達到最大值后,隨著相對高度的增大逐漸減小并趨于平穩(wěn)。

        圖12 不同入流流量條件下模擬湍流動能的對比(工況2)Fig.12 Comparison of the simulated turbulence energy with varied inflow conditions (case 2)

        3 結(jié)論

        本研究中基于Fluent流體力學仿真軟件對存在剛性植物復式斷面水槽的三維流場進行了精細化的數(shù)值模擬,重點討論了灘地植被對復式斷面水槽水動力特性的影響。通過對比結(jié)果可以看出,計算值和試驗測量值符合較好,說明Fluent模型能夠準確地復演復式水槽的流動特征。通過對模擬結(jié)果的分析得出如下結(jié)論:

        1)復式斷面河道的灘地植物會改變流場的分布,使主流轉(zhuǎn)向主槽,隨著灘地植被高度的增加,灘地植物區(qū)主流流速相應降低,而主槽內(nèi)主流流速增大趨勢明顯,灘地植物區(qū)的湍流動能也隨植物高度增加而發(fā)生明顯變化。

        2)由于灘地植物的存在,使灘地植物區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的橫向速度,促使復式斷面產(chǎn)生較強的順時針二次流。

        3)當水深保持不變時,隨著入流流量的增大,斷面主流流速相應增大,植物區(qū)內(nèi)部的湍流動能變化不大,但在植物冠層頂端的湍流動能明顯變大,冠層頂端其他測量位置湍流動能趨勢相同,幅值隨流量增加而變大。

        實際情況中,針對具有復式斷面結(jié)構(gòu)的天然河道,灘地植被的存在使其紊流存在明顯的各向異性特征,因此,針對存在淺水植物的復式河道流動特性的各向異性數(shù)值模擬研究是今后需要開展的工作。

        猜你喜歡
        植物
        誰是最好的植物?
        為什么植物也要睡覺
        長得最快的植物
        各種有趣的植物
        植物也會感到痛苦
        會喝水的植物
        植物的防身術(shù)
        把植物做成藥
        哦,不怕,不怕
        將植物穿身上
        色天使久久综合网天天| 成人激情五月天| 国产精品爽爽va在线观看无码| 亚洲综合伦理| 亚洲国产一区二区,毛片| 手机在线观看av资源| 亚洲综合av永久无码精品一区二区| 女人扒开下面无遮挡| 欧美韩国精品另类综合| 蜜臀精品一区二区三区| 国产内射爽爽大片| 午夜精品久久久久久久99热| a级特黄的片子| 无码国产激情在线观看| 亚洲AⅤ永久无码精品AA| 人片在线观看无码| 久久久国产熟女综合一区二区三区 | 日本不卡视频一区二区三区| 99热在线观看| 免费无码成人av在线播| 国产颜射视频在线播放| 国产成人高清在线观看视频| 国产精品午夜福利视频234区 | 国产真实乱对白精彩| 日本免费人成视频播放| 午夜无码无遮挡在线视频| 精品人妻av一区二区三区四区 | 国产在线视频一区二区三区不卡| 天天做天天爱夜夜爽女人爽| 色avav色av爱avav亚洲色拍 | 国产天堂av在线播放资源 | 国产精品国产三级农村妇女| 中文字幕亚洲乱码熟女1区| 四虎影视永久在线观看| 精品国产高清a毛片无毒不卡| 亚洲天堂中文字幕君一二三四| 亚洲香蕉av一区二区三区| 国产亚洲精品久久久ai换| 久久精品一区二区免费播放| 网红极品女神精品视频在线| 久久综合激情的五月天|