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

        ?

        基于有限體積法的不同植被莖粗下坡面流水力特性數(shù)值模擬

        2022-04-12 02:47:10徐雪峰張升堂張景洲周建森
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2022年4期
        關(guān)鍵詞:粗度坡面水流

        徐雪峰,張升堂,張景洲,周建森

        (山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266590)

        0 引言

        近年來(lái),有學(xué)者對(duì)前人的研究進(jìn)行分析總結(jié),最終將坡面流定義為以降雨為主導(dǎo),重力為輔助動(dòng)力,流經(jīng)不同坡面產(chǎn)生不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的淺層水流[1,2]。對(duì)于現(xiàn)實(shí)自然環(huán)境而言,水力侵蝕是土壤坡面侵蝕中最為廣泛的自然現(xiàn)象(除風(fēng)力侵蝕以外)。坡面水力侵蝕的演化與水流強(qiáng)度、坡面土壤的抗剪切能力兩者的非協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)制有關(guān),而坡面植被的存在,使得坡面水流形態(tài)更加特殊與復(fù)雜化,一方面使坡面水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,同時(shí)植被根系具有固結(jié)土壤作用,增強(qiáng)了土壤抗蝕性[3,4],從而成為根治坡面水土流失的重要生物措施。

        在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作中,坡面流植被區(qū)域的流動(dòng)特性和湍流特性受到了廣泛的關(guān)注。大量文獻(xiàn)提及植被分布模式對(duì)坡面流阻力的影響。Wang等[5]重點(diǎn)研究了植被、水流和泥沙輸移間的相互作用。植被密度和布局對(duì)流速有不同程度的影響,流阻隨著植物密度的增加而增大。Zhao 等[6]認(rèn)為坡面植株的根莖能有效的降低泥沙的輸送能力,減少水土流失。張冠華等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究植被的分布格局對(duì)坡面水流阻力的影響,對(duì)不同格局的阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比尋找規(guī)律。Zhang 等[8]為研究植被對(duì)水流的影響,通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出Manning糙率系數(shù)n隨雷諾數(shù)Re的增加而增大,且當(dāng)植被覆蓋度越大時(shí),Manning 糙率系數(shù)n隨雷諾數(shù)的變化率越大。姬昌輝等[9]采用水槽試驗(yàn)研究了在不同水流及種植間距下的淹沒(méi)植被曼寧糙率系數(shù)的變化特征,結(jié)果表明糙率系數(shù)與植被間距呈負(fù)相關(guān)性。Ding 等[10]通過(guò)試驗(yàn)得出植被分布在試驗(yàn)段的下部比分布在試驗(yàn)段中部及上部的攔沙效果更好,證明了植被的分布模式對(duì)明渠水流的水力特征有著重要的影響。但大都側(cè)重于實(shí)驗(yàn)?zāi)M,不能準(zhǔn)確得到植被周圍的水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

        近年來(lái)也有一些研究人員對(duì)不同排布方式的植被進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究。Zhao和Huai[11]利用大渦模擬(LES)模型研究了明渠中不連續(xù)和淹沒(méi)植被斑塊對(duì)水流湍流的影響。Lima等[12]和Weber等[13]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)研究了明渠水生植被周圍的水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)。Ghani 等[14]采用數(shù)值模擬的方法,研究了圓形和交錯(cuò)植被斑塊周圍的流動(dòng)情況,利用不同植被密度和流速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Anjum等[15]運(yùn)用CFD 工具FLUENT,對(duì)一個(gè)縱向不連續(xù)和垂直兩層植被占據(jù)河道半寬度的水流進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明林隙內(nèi)的流速明顯慢于植被斑塊內(nèi)的流速,局部和不連續(xù)植被對(duì)水流結(jié)構(gòu)和阻力有較大的影響。占據(jù)半寬度的垂直分層和不連續(xù)植被的存在顯著地影響了縱向和橫向的水流。Anjum和Tanaka[16]采用k-epsilon 模型,通過(guò)覆蓋整個(gè)河道寬度的間斷垂直分層植被來(lái)闡明河道水流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。然而這些研究大多是在相同粗度植被條件下的水流,但實(shí)際坡面植被復(fù)雜多樣,莖稈粗細(xì)程度不同,即使同一坡面上的植被,在不同的生長(zhǎng)階段其莖稈粗度是不斷變化的,而且現(xiàn)實(shí)中洪水水流和灌溉水流在植株間的流動(dòng)受植株直徑影響極大。

        因此,對(duì)坡面植被植株粗度進(jìn)行系統(tǒng)性的研究具有重要意義,有助于通過(guò)模型尺度對(duì)實(shí)際含植被坡面的水流阻力進(jìn)行相關(guān)的預(yù)測(cè),從而達(dá)到提高實(shí)際坡面的阻水能力,降低坡面水流的沖刷能力以及減小水力侵蝕的目的,為坡面水流阻力的研究提供價(jià)值性參考。為分析坡面植被莖桿粗度的變化對(duì)坡面流水力特性的影響,通過(guò)試驗(yàn)分析研究不同流速情況下的水流阻力及流態(tài)變化規(guī)律,從而得出植被的莖桿粗度的變化對(duì)坡面流水力特性影響的定性及定量研究論點(diǎn)。本文的研究目的是建立一個(gè)數(shù)值模型,數(shù)值模擬是由CFD 工具FLUENT 通過(guò)采用Standardk-ε紊流模型進(jìn)行的,通過(guò)均勻分布的非淹沒(méi)植被,分析坡面流的平均速度分布和湍流特性。研究還重點(diǎn)分析了植被間的水流分布特點(diǎn)。

        對(duì)圓柱狀模擬植被在坡面徑流沖刷試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的基礎(chǔ)上,旨在研究和分析:

        (1)數(shù)值模擬方法對(duì)于含植被坡面徑流沖刷試驗(yàn)是否具有可行性;

        (2)不同粗度變化的植被對(duì)流速的影響;

        (3)研究植被間特定位置和特定截面的局部流動(dòng)特性。

        本數(shù)值模擬試驗(yàn)以統(tǒng)一的植被行列走向與水流方向所成夾角θ= 90°、相鄰植株的行列間距a×a=60 mm×60 mm、高度為0.15 m的圓柱狀塑料棒均勻插入相應(yīng)鉆孔口徑的試驗(yàn)底板。為更加直觀的反映植被莖桿粗度對(duì)坡面水動(dòng)力特性的影響,本數(shù)值模擬試驗(yàn)在坡度s為0 的條件下,設(shè)置3 組莖桿粗度d(3、4、5 mm)的植被,16 個(gè)單位流量q進(jìn)行了模擬計(jì)算,基于有限體積法,采用Standardk-ε紊流模型,建立數(shù)值分析模型,模擬剛性植被粗度變化的條件下坡面流水流阻力的影響,對(duì)三種粗度的剛性淹沒(méi)植被明渠水流特性進(jìn)行了研究。

        1 數(shù)學(xué)模型

        1.1 控制方程

        在重力驅(qū)動(dòng)下,有自由液面的坡面流動(dòng)中,連續(xù)性方程為:

        動(dòng)量守恒方程:

        式中:ui表示流速u(mài)在xi方向上的分量;ρ為流體密度;p為平均壓強(qiáng);ν為運(yùn)動(dòng)黏度。

        1.2 湍流模型

        采用Standardk-ε模型[17],不考慮流體壓縮時(shí),Standardk-ε湍流模型的湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的約束方程如下:

        k方程:

        ε方程:

        式中:xj為坐標(biāo)分量;ui、uj為平均相對(duì)速度分量;Pk是湍動(dòng)能生成項(xiàng),定義為為湍流耗散率,且ε=為動(dòng)力黏滯系數(shù);渦旋黏性系數(shù)Cμ= 0.0845。σk和σε分別為k和ε的普朗特?cái)?shù),σk= 1.0,σε=1.3;模化常數(shù)C1ε= 1.44,C2ε= 1.92,C3ε= 1.0。

        2 三維湍流數(shù)值模擬分析

        2.1 物理模型

        本數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)P蛥⒄諏?shí)驗(yàn)室試驗(yàn)儀器建模,實(shí)體試驗(yàn)儀器為長(zhǎng)5 m,寬0.4 m,高0.3 m 的循環(huán)矩形水槽,水槽共分三個(gè)區(qū)域:上游穩(wěn)水區(qū)、試驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)、下游量水區(qū),其中試驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)長(zhǎng)度為3 m,上游穩(wěn)水區(qū)及下游量水區(qū)各為1 m,水槽共分為五個(gè)斷面,每個(gè)斷面之間的間距均為0.75 m。在試驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)鋪設(shè)有機(jī)樹(shù)脂板,在板中鉆孔插嵌圓柱形塑料棒模擬植被區(qū)。數(shù)值模擬試驗(yàn)可以通過(guò)初始化設(shè)置達(dá)到計(jì)算所需要的水流參數(shù)條件,因此不需要單獨(dú)劃分上游穩(wěn)水區(qū)和下游量水區(qū),所建物理模型只包含實(shí)驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)。

        2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

        利用ANSYS FLUENT-Mesh 繪制計(jì)算網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到200 多萬(wàn)個(gè),正交質(zhì)量平均值達(dá)到0.9 以上,單元質(zhì)量平均值達(dá)到了0.7 以上,表明網(wǎng)格質(zhì)量較好,滿足數(shù)值模擬運(yùn)算要求。對(duì)數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證(以4 mm 徑粗,0.08 m 水深為例),結(jié)果如圖2所示。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,水流平均流速不斷增加,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到2 365 896 時(shí),進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量,水流平均流速的增量小于0.5%,可認(rèn)為此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)已不顯著影響數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率,選用全流道網(wǎng)格總數(shù)為2 365 896的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。對(duì)數(shù)值模型劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)并通過(guò)計(jì)算所得水流平均流速的變化來(lái)檢查網(wǎng)格數(shù)的無(wú)關(guān)性。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)對(duì)水流平均流速的變化影響小于1%時(shí),認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)達(dá)到無(wú)關(guān)性要求。

        圖1 網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Meshing diagram

        圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下的水流平均流速Fig.2 Average flow velocity at different grid numbers

        2.3 邊界條件設(shè)置

        ①入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量入口,湍流強(qiáng)度選擇5%,為一般水流的湍流強(qiáng)度;②出口邊界為壓力出口,出口壓力設(shè)置為0,溫度為300 k;③上表面利用滑移邊壁來(lái)代替水氣交界面,植被表面及壁面均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(這是更好地預(yù)測(cè)邊界層中流動(dòng)的必要條件),為無(wú)滑移邊界,壁面邊界條件設(shè)置為固壁邊界。仿真和后處理在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具FLUENT 中進(jìn)行。計(jì)算區(qū)域如圖1所示。采用SIMPLE 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力—速度耦合。在運(yùn)算過(guò)程中,當(dāng)所有殘差都低于1×10-5時(shí),認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是收斂的。在進(jìn)一步的迭代中,殘差沒(méi)有變化,并且還檢查了具有主流速的解,在后續(xù)的迭代中,該解不再明顯變化。因此,使用這些標(biāo)準(zhǔn),可以假定解決方案已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        3.1 3 種植被莖粗在不同流量條件下粗度對(duì)流速的影響

        該數(shù)值模擬依據(jù)圖1所示模型及尺寸進(jìn)行物理建模,試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自Zhang[18]等人的試驗(yàn)資料,根據(jù)定床阻力試驗(yàn)要求,對(duì)坡面流水力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。該模擬研究了與之前試驗(yàn)數(shù)據(jù)相同流量條件下,不同植被莖粗情況下坡面流的情況下的流動(dòng)狀況。模擬結(jié)果通過(guò)FLUENT后處理軟件對(duì)其進(jìn)行整理分析,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。不同植被莖桿粗度下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)水深h和平均流速v(h~v)關(guān)系曲線圖如圖3示。

        圖3 3種不同植被莖稈粗度h~v關(guān)系曲線圖Fig.3 Three different vegetation stalk thickness h~v curve diagram

        根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),3種不同植被莖稈粗度的h~v關(guān)系總體呈現(xiàn)出隨著流量的不斷增大,水深隨之增加,流速不斷增大;當(dāng)水深h較小時(shí),流速隨水深的變化較大,且不同植被莖稈粗度的速度差異較大,隨著水深的增加,流速呈緩慢變化趨勢(shì)。在同一水深h下,不同植被莖稈粗度情況下,水流流速不同;植被莖稈粗度越小對(duì)應(yīng)的流速值也越大,3 種植被莖稈粗度的水流流速關(guān)系為:v3mm>v4mm>v5mm,這一規(guī)律說(shuō)明坡面植被莖稈粗度的微小變化對(duì)水流流速有一定的影響,植被莖稈粗度越大,水流流速越小。

        試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖3 示,數(shù)值模擬結(jié)果比試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大,但保持在10%以內(nèi),因此可以認(rèn)為數(shù)值模擬在坡面流水流阻力試驗(yàn)研究中的應(yīng)用是可行的。對(duì)于坡面流而言,影響阻力系數(shù)的因素眾多,在本次對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)中,造成這種差異的原因可能是:在數(shù)值模擬試驗(yàn)中,雨滴打擊力在試驗(yàn)中未涉及,因而可忽略不計(jì);數(shù)值模擬試驗(yàn)中重力和水壓力也已通過(guò)參數(shù)設(shè)置完成,水槽壁面條件設(shè)置為光滑壁面,為理想環(huán)境。從以上分析可見(jiàn),誤差產(chǎn)生的主要原因可確定為坡面流表面張力的作用以及光滑的壁面條件。

        3.2 3 種植被莖粗在相同流量條件下水流時(shí)均流速分布

        本數(shù)值模擬選取3、4、5 mm 3 種植被莖粗分為3 組,計(jì)算了在相同流量和水深植被淹沒(méi)狀態(tài)下的水流流速。并且每組模擬中各選取了16個(gè)測(cè)點(diǎn)。

        測(cè)點(diǎn)分布如圖4(b)所示,測(cè)點(diǎn)a~e取在模型中心線上,相距15 mm,其中a 和d 在植被后,b 和e在兩植被中間;測(cè)點(diǎn)f~k 取在中心線沿y軸負(fù)方向平移15 mm;測(cè)點(diǎn)l~p 取在中心線沿y軸負(fù)方向平移30 mm。水流速度坐標(biāo)為x軸,與速度垂直方向?yàn)閥軸,縱坐標(biāo)為z軸。每個(gè)測(cè)點(diǎn)取50 組數(shù)據(jù),總共采集了2 400 個(gè)數(shù)據(jù),保證了垂向速度分布的準(zhǔn)確性。

        圖4 計(jì)算域示意圖(單位:mm)Fig.4 Schematic diagram of calculation domain

        3.2.1 縱向流速分布

        圖5~7所示分別為3、4、5 mm 直徑的植被在相同流量條件下各測(cè)點(diǎn)水流流速的垂向分布??傮w看來(lái),處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l~p縱向流速相對(duì)較大,靠近植被的測(cè)點(diǎn)f~k縱向流速次之,與植被同行分布的測(cè)點(diǎn)a~e縱向流速最小。

        圖5 3 mm直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布Fig.5 Vertical distribution of longitudinal velocity at 3 mm diameter vegetation survey point

        圖6 4 mm直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布Fig.6 Vertical distribution of longitudinal velocity at 4 mm diameter vegetation survey point

        以(圖5)3 mm 直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布為例。可以看出,兩植被之間的測(cè)點(diǎn)a~e中,位于兩植被中間位置的測(cè)點(diǎn)b 流速最大,測(cè)點(diǎn)d 位于植被正下游且緊鄰植被,受到植被阻力影響最大,其縱向流速變化最小,相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)的縱向流速小的多。這是因?yàn)樗鹘?jīng)過(guò)植被時(shí)做圓柱繞流,水流流經(jīng)植被前受到植被的阻擋,迎流面壓強(qiáng)勢(shì)能逐漸增大,動(dòng)能逐漸變小,因而速度逐漸變小。測(cè)點(diǎn)a 縱向流速次之,測(cè)點(diǎn)c 和e 速度相近,這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)c 和e 均位于兩植被之間,離植被較遠(yuǎn),水流受到植被阻力影響較小,且由于兩測(cè)點(diǎn)相距較近,可以忽略流速損失。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l~p中,測(cè)點(diǎn)n縱向流速最大,達(dá)到0.298 4 m/s,且為所有測(cè)點(diǎn)流速中最大。通過(guò)(圖8)測(cè)點(diǎn)i、nyx剖面流速分布云圖也可以看到這一現(xiàn)象,測(cè)點(diǎn)n 位于兩株植被中間,流速表現(xiàn)最大。測(cè)點(diǎn)i所處位置更接近植被,流速表現(xiàn)小于測(cè)點(diǎn)n。我們還可以看出,從兩株植被中間位置(測(cè)點(diǎn)n)到植被位置,流速表現(xiàn)為逐漸變小。這與植被的擋水作用有關(guān)。

        圖7 5 mm直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布Fig.7 Vertical distribution of longitudinal velocity at 5 mm diameter vegetation survey point

        圖8 測(cè)點(diǎn)(a~p)yx面流速分布云圖Fig.8 Measurement point(a~p)yx surface velocity distribution cloud map

        水流縱向流速隨著到植被距離的增加先增加后減小。且隨著植被粗度的增加,水流縱向流速逐漸變小。

        3.2.2 垂向流速分布

        考慮到植被對(duì)水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響較大,有必要對(duì)含植被水流的垂向流速變化進(jìn)行研究。從3種粗度植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布(圖5~7)可以很直觀的看出,在模擬的植被區(qū)域內(nèi),速度的垂直變化是單調(diào)的,最小速度發(fā)生在河床。這與Zeng C[19]的測(cè)量結(jié)果相同。與Neumeier[20]的測(cè)量結(jié)果不同,Neumeier 的測(cè)量結(jié)果表明,最小流速發(fā)生在地層上方約5 cm處。主要原因是Neumeir實(shí)驗(yàn)中采用了變截面自然植被。最大植被密度出現(xiàn)在床上5 cm 左右,對(duì)應(yīng)最小流速水平。位于不同xz剖面的測(cè)點(diǎn)a~e、f~k、l~p垂向流速分布呈現(xiàn)很明顯的規(guī)律,垂向流速v(測(cè)點(diǎn)l~p)>垂向流速v(測(cè)點(diǎn)f~k)>垂向流速v(測(cè)點(diǎn)a~e),且流速分布差異非常明顯。以3 mm 粗度植被縱向流速的垂向分布為例,垂向流速v(測(cè)點(diǎn)f~k)與垂向流速v(測(cè)點(diǎn)a~e)的差值達(dá)到0.150 7 m/s,增大168%,可以看出,在y方向距植被越遠(yuǎn),垂向流速的增長(zhǎng)率逐漸減小。通過(guò)(圖10)測(cè)點(diǎn)a~pxz剖面垂向流速分布云圖可以直觀地體現(xiàn)出流速變化。

        以(圖5)3 mm 直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布為例,測(cè)點(diǎn)f~k 垂向流速分布幾乎一致,植被淹沒(méi)高度h=0.02 m 左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),垂向流速趨近于最大值(0.219 8 ~0.239 9 m/s)。測(cè)點(diǎn)l~p 的垂向流速分布一致性更強(qiáng),植被淹沒(méi)高度h=0.03 m 左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),縱向流速趨近于最大值(0.287 3 ~0.298 4 m/s),它們的流速垂向分布曲線近乎重合。這一現(xiàn)象通過(guò)(圖10)測(cè)點(diǎn)a-pxz剖面垂向流速分布云圖能夠直觀體現(xiàn)。由圖10(b)和(c)可以發(fā)現(xiàn)f~k、l~p 測(cè)點(diǎn)所在xz剖面的垂向速度分布較為均勻,所以各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速垂向分布相差較小。與之相比,測(cè)點(diǎn)a~e 所在xz剖面的垂向速度分布變化較大,植被淹沒(méi)高度h=0.02 m 左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),垂向流速趨近于最大值(0.089 5 ~0.141 8 m/s),如圖10(a)所示,因此各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速垂向分布相差較大。

        圖10 測(cè)點(diǎn)a~p xz剖面垂向流速分布云圖Fig.10 Vertical velocity distribution cloud diagram of the a~p xz profile at the measuring point

        整體看來(lái),與植被同行分布的測(cè)點(diǎn)a~e 垂向流速變化幅度最?。ㄆ渲袦y(cè)點(diǎn)d 變化幅度最大,為0~0.147 9 m/s)??拷脖坏臏y(cè)點(diǎn)f~k 垂向流速變化幅度大于測(cè)點(diǎn)a~e(其中測(cè)點(diǎn)i 變化幅度最大,為0 ~0.239 9 m/s)。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l~p 的垂向流速變化幅度最大(其中測(cè)點(diǎn)n 變化幅度最大,為0~0.298 4 m/s)。通過(guò)(圖9)測(cè)點(diǎn)a~pyz剖面垂向流速分布云圖可以看出這種規(guī)律。且3組粗度植被的測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布圖都呈現(xiàn)這種規(guī)律。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),這與植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用有關(guān)[21]。測(cè)點(diǎn)a~e 與植被同行分布,由于植被與水流交界面處水流紊動(dòng)較為劇烈,紊動(dòng)強(qiáng)度明顯增加,其紊流強(qiáng)度垂向分布,在植物頂部的水流劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的能量損失是形成水流阻力的重要原因,因此測(cè)點(diǎn)a~e 垂向流速變化幅度最小。而測(cè)點(diǎn)f~k 與植被排布處較遠(yuǎn),植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用減小,因此測(cè)點(diǎn)f~k 垂向流速變化幅度大于測(cè)點(diǎn)a~e。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l~p 離植被分布區(qū)最遠(yuǎn),植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用最小,因而垂向流速變化幅度最大。

        圖9 測(cè)點(diǎn)(a~p)yz剖面垂向流速分布云圖(單位:m/s)Fig.9 Measurement point(a~p)yz profile vertical velocity distribution cloud map

        另外需要注意的是,在數(shù)值模擬數(shù)據(jù)結(jié)果中,在水槽底部有速度突增,Liu等[22],Huai等[23]和Pang等[24]在植被水流的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象,Liu 等[22]認(rèn)為水槽底部的速度突增可能是由植被底部的馬蹄形渦旋或是結(jié)合渦旋引起的,馬蹄形渦旋會(huì)使得水流從周圍區(qū)域較快的繞過(guò)植被底部,從而導(dǎo)致植被底部附近流速突增。

        4 結(jié)論

        采用標(biāo)準(zhǔn)紊流模型,建立數(shù)值分析模型,進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算,通過(guò)在流場(chǎng)入口設(shè)置為質(zhì)量入口的方式,對(duì)矩形明渠中不同莖徑連續(xù)植被水流的流動(dòng)進(jìn)行了模擬。計(jì)算所得的流速值與實(shí)測(cè)值吻合良好,驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性和可行性。在建立數(shù)值分析模型的基礎(chǔ)上,對(duì)坡面水流的流動(dòng)過(guò)程中的水動(dòng)力學(xué)特性的變化規(guī)律進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論。

        (1)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果比試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大,但誤差保持在10%以內(nèi),與試驗(yàn)值吻合良好,驗(yàn)證了數(shù)值模擬在坡面流水流阻力試驗(yàn)研究中的可行性。

        (2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),3 種不同植被莖稈粗度的h~v關(guān)系總體呈現(xiàn)出隨著流量的不斷增大,水深隨之增加,流速不斷增大;植被莖桿粗度增大,流速減小。這是由于植被莖桿粗度增大,相對(duì)應(yīng)的總體覆蓋度增大,水流與植被接觸面增大,從而使水流阻力增大

        (3)縱向流速分布規(guī)律:總體看來(lái),處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l~p 縱向流速相對(duì)較大,靠近植被的測(cè)點(diǎn)f-k 縱向流速次之,與植被同行分布的測(cè)點(diǎn)a~e縱向流速最小。水流縱向流速隨著到植被距離的增加先增加后減小。且隨著植被粗度的增加,水流縱向流速逐漸變小。這表明植被根部附近有利于沉積物的積聚,對(duì)植物群落以及水生生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境和空氣。

        (4)垂向流速分布規(guī)律:在y方向距植被越遠(yuǎn),垂向流速的增長(zhǎng)率逐漸減小。從3 種粗度植被垂向分布圖5~7 可以很直觀的看出,位于不同xz剖面的測(cè)點(diǎn)a~e、f~k、l~p 垂向流速分布呈現(xiàn)很明顯的規(guī)律,垂向流速v(測(cè)點(diǎn)l~p)>垂向流速v(測(cè)點(diǎn)f~k)>垂向流速v(測(cè)點(diǎn)a~e),且流速分布差異非常明顯。測(cè)點(diǎn)a~e垂向流速變化幅度最小,測(cè)點(diǎn)f-k 垂向流速變化幅度大于測(cè)點(diǎn)a~e。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l~p 離植被分布區(qū)最遠(yuǎn),植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用最小,因而垂向流速變化幅度最大。植被間隙的低流速有利于泥沙沉積物沉積,有助于坡面穩(wěn)定,維持生態(tài)環(huán)境?!?/p>

        猜你喜歡
        粗度坡面水流
        桃樹(shù)不同粗度結(jié)果枝的生長(zhǎng)結(jié)果習(xí)性初探
        哪股水流噴得更遠(yuǎn)
        能俘獲光的水流
        我只知身在水中,不覺(jué)水流
        文苑(2020年6期)2020-06-22 08:41:56
        沖積扇油氣管道坡面侵蝕災(zāi)害因子分析
        結(jié)果母枝粗度對(duì)南豐蜜橘果實(shí)品質(zhì)的影響
        超音速流越過(guò)彎曲坡面的反問(wèn)題
        葡萄定植當(dāng)年冬季修剪技術(shù)
        南豐蜜桔結(jié)果母枝粗度≤2.5 mm果實(shí)品質(zhì)最佳
        面板堆石壩墊層施工及坡面防護(hù)
        日韩日韩日韩日韩日韩| 日本黑人人妻一区二区水多多| 亚洲av无一区二区三区综合| 日本添下边视频全过程| 国产精品亚洲一区二区三区在线| 亚洲AV成人片色在线观看高潮| 日韩精品极品在线观看视频| 精品女同一区二区三区| 久久精品人妻无码一区二区三区| 可以免费观看的毛片| 日本二区视频在线观看| 中文字幕漂亮人妻在线| 狠狠色狠狠色综合| 欧美在线播放一区二区| 一区二区免费国产a在亚洲| 日韩乱码中文字幕在线| 欧美一区二区三区激情| 少妇无码av无码去区钱| 日本老熟女一区二区三区| 人妻丰满熟妇aⅴ无码| 亚洲av无码不卡| 国产自精品在线| 国产丝袜美腿在线播放| 东京道一本热中文字幕| 欧美三级不卡视频| 日韩精品高清不卡一区二区三区| 人妻精品在线手机观看| 自慰无码一区二区三区| 啊v在线视频| 日本午夜精品一区二区三区| 日本高清视频xxxxx| 熟妇无码AV| 中文字幕人妻av四季| 久久精品无码一区二区日韩av| 久久精品久久久久观看99水蜜桃| 白白视频在线免费观看| 亚洲最大中文字幕在线| 999久久久国产精品| 国产精品亚洲综合色区韩国| 小池里奈第一部av在线观看| 在线观看精品视频网站|