含刚性植物水流中悬移质泥沙分布规律实验研究

摘要

泥沙是河流生态系统中一个非常活跃的因子，泥沙颗粒的沉速及水流中悬移质泥沙浓度的垂线分布规律都是河流动力学中的重要研究课题。当水流中含有植物时，水流的紊动特性发生显著变化，泥沙颗粒的沉速及悬移质泥沙的浓度分布规律将受到植物的影响。本文利用试验及理论分析相结合的方法，研究了静水条件下刚性植物对粗颗粒泥沙沉速的影响，在水槽中模拟刚性淹没及非淹没植物，进行了不同植物密度及水流条件下的三维流速及悬移质泥沙浓度测量，研究了植物因素对水流紊动及泥沙浓度垂线分布的影响，揭示了水流紊动对悬移质泥沙分布作用的机理，取得了以下有价值的研究成果： (1)刚性植物对泥沙颗粒沉速的影响当植物密度大于0.071或泥沙粒径大于0.2 cm时，泥沙沉速有不同程度的减小，粒径越大，植物密度越大，沉速减小的幅度越大。当植物密度小于0.071或泥沙粒径小于0.2 cm时，可以认为泥沙沉速不受植物的影响。通过对泥沙沉降阻力系数的分析，建立了植物因素对沉速影响的公式。 (2)有无植物条件下挟沙水流中泥沙浓度的垂线分布在含淹没植物的挟沙水流中，摩阻流速应该用雷诺应力的最大值来推求(根号下-(uv)<,max>)，纵向时均流速可以分为两个分区，第一分区为y/h<,v><0.65的范围，近床面以上的流速逐渐增大，dU/dy也逐渐增大，第二分区为y/h<,v>>0.65的范围，这一分区的流速很好地满足对数分布规律。利用Rouse公式对泥沙浓度进行计算表明，在0.65h以上水深，计算值与实测值能较好地吻合，而在0.65h，以下水深，二者逐渐发生偏离，实测值要大于计算值，越接近床面，偏离的程度越大。 在含非淹没植物的挟沙水流中，边壁剪切流动已经不再存在，代之以众多圆柱绕流的叠加，纵向时均流速在垂向上呈均匀分布，泥沙浓度呈典型的Ⅱ型分布，根据含非淹没植物挟沙水流中的紊动特点，假定泥沙扩散系数沿水深为常数，并给出新的确定方法。 对比了无植物、含淹没及非淹没植物三种不同挟沙水流中泥沙浓度垂线分布的均匀性，总体来说，含淹没植物挟沙水流中泥沙浓度分布最为均匀，其次为含非淹没植物挟沙水流中，无植物挟沙水流中泥沙浓度分布最不均匀。 (3)引起泥沙浓度垂线分布变化的水流紊动特性分析在含淹没植物的挟沙水流中，纵向、横向及垂向的脉动强度均从床面向上逐渐增大，在植物顶部附近达到最大，然后发生转折，向上逐渐减小。横向脉动流速的概率密度在垂线上呈左右对称分布，偏态系数呈均匀分布，绝对值接近于零。纵向及垂向的概率密度偏离正态分布，偏离的方向相反，偏态系数随测点水深的增大显示出相反的分布规律，从床面到y/h<,v>≈0.7处，纵向偏态系数逐渐增大，垂向偏态系数则逐渐减小，到y/h<,v>≈0.7处二者均达到极值，再向上，纵向偏态系数开始减小并逐渐小于零，而垂向偏态系数则开始增大并逐渐大于零，直到y/H≈0.7处再次发生转折。 在含非淹没植物的挟沙水流中，三个方向的脉动强度在垂向上呈均匀分布，三者之间的对比关系为横向最大，纵向次之，垂向最小。横向脉动流速的概率密度在垂向上呈左右对称分布，峰值比标准正态分布低；纵向及垂向的概率密度在垂向上呈标准正态分布，没有发生明显的正偏或负偏。 当脉动流速的偏态系数不为零时，紊流中的介质表现出向某一方向紊动扩散增强的趋势，称之为紊动扩散势。垂向紊动扩散势可以很好地解释在无植物、含淹没及非淹没植物挟沙水流中泥沙浓度垂线分布的变化。在无植物挟沙水流中，泥沙所受到的紊动扩散作用被削弱，增大了泥沙浓度在垂线上分布的不均匀程度。在含淹没植物的挟沙水流中，泥沙受到的紊动扩散作用大大增强，泥沙浓度在垂线上分布的不均匀程度显著降低。在含非淹没植物的挟沙水流中，泥沙受到的紊动扩散作用既没有被削弱，也没有被增强，泥沙浓度在垂线上的不均匀程度介于上述二者之间。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：符号列表

声明

第一章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.1.1问题的提出

1.1.2研究意义

1.2泥沙浓度测量方法

1.2.1泥沙浓度测量的重要性

1.2.2测量方法

1.3含植物水流中紊动特性及泥沙运动研究概述

1.3.1水流紊动特性

1.3.2植物对颗粒沉速的影响

1.3.3植物对泥沙运动的影响

1.4本文研究内容

第二章试验系统及方法

2.1试验系统

2.1.1恒定流循环系统

2.1.2流速测量系统

2.2基本物理量测量方法

2.2.1底坡测量

2.2.2水位测量

2.2.3断面及流速测点设置

2.2.4泥沙取样

2.3水槽系统的验证

2.3.1水流条件

2.3.2摩阻流速

2.3.3时均流速

2.3.4脉动强度

2.4本章小结

第三章泥沙浓度测量方法试验

3.1利用ADV测量泥沙浓度试验

3.1.1测量原理

3.1.2测量及计算方法

3.1.3结果及分析

3.2利用LDV测量泥沙浓度试验

3.2.1测量原理

3.2.2测量及计算方法

3.2.3结果及分析

3.3本章小结

第四章含植物条件下粗颗粒泥沙沉速试验

4.1泥沙沉速公式分析

4.1.1泥沙沉降阻力系数

4.1.2常用沉速公式

4.1.3考虑固体边壁影响的沉速公式

4.2试验设计

4.2.1泥沙颗粒选取

4.2.2试验装置

4.2.3数据采集及处理

4.3试验数据及结果分析

4.3.1试验数据

4.3.2结果分析

4.3.3考虑植物因素的沉速公式

4.4本章小结

第五章恒定均匀流中流速及泥沙浓度分布试验

5.1泥沙特性

5.1.1泥沙密度

5.1.2泥沙颗粒级配

5.2试验水力条件

5.3时均流速分布

5.3.1水力粗糙床面流速公式

5.3.2理论床面的确定

5.3.3挟沙水流中流速分布的研究模式

5.3.4流速分布结果分析

5.4泥沙浓度垂线分布理论

5.4.1泥沙悬浮机理

5.4.2紊动扩散理论

5.4.3泥沙浓度垂线分布型式及形成条件

5.5试验结果及分析

5.6本章小结

第六章含植物挟沙水流中流速及泥沙浓度分布试验

6.1试验水力条件

6.1.1淹没植物

6.1.2非淹没植物

6.2摩阻流速

6.3时均流速分布

6.3.1淹没植物

6.3.2非淹没植物

6.3.3有无植物条件下流速分布对比

6.4泥沙浓度垂线分布

6.4.1含淹没植物

6.4.2含非淹没植物

6.5泥沙浓度垂线分布均匀性对比

6.6本章小结

第七章有无植物条件下挟沙水流紊动特性分析

7.1脉动强度

7.1.1无植物清水及挟沙水流

7.1.2含淹没植物挟沙水流

7.1.3含非淹没植物挟沙水流

7.1.4对脉动强度与泥沙浓度垂线分布相关关系的分析

7.2脉动流速的概率密度分布

7.2.1无植物清水及挟沙水流

7.2.2含淹没植物挟沙水流

7.2.3含非淹没植物挟沙水流

7.2.4对概率密度分布的分析

7.3本章小结

第八章总结与展望

8.1全文总结

8.2进一步研究展望

参考文献

附录

致谢