植被渠道水流和污染物输移扩散三维数值模拟

摘要

近年来河流两旁的湿地受到了世界各国的广泛关注。生态河道的建设也在世界各地迅速兴起。植被是湿地和生态河道建设中广泛存在和被采用的介质，它们对水流和物质输移的影响引起了众多学者的兴趣。 自然界中的植物存在多样性，本文研究的是在水流作用下不发生倾倒和摆动的刚性植被对水流的影响。本文在前人的非正交三维曲线坐标系下的k-ε双方程湍流模型的基础上，引入植被作用因子，建立了植被渠道水流和污染物输移扩散的三维数学模型。植被的阻碍作用反映为植被对水流的拖曳力和阻碍水流运动所做的功。 采用所建立的植被渠道水流三维模型模拟计算了淹没植被作用下渠道水流流速、x-z平面雷诺应力和纵向紊动强度的变化，研究分析了植被种植密度对水流流速、x-z平面雷诺应力和纵向紊动强度的影响，并将计算结果与实验结果进行了比较。 天然河道多蜿蜒曲折，弯道内水流的运动有其自身的特点。针对生态河道建设中不同的植被布置规划方案，本文模拟计算了弯道内中心布置、外岸布置和内岸布置三种植被布置形式下的水流形态，分析了局部种植植被对弯道纵向流速和二次流的影响，并与实验结果进行了比较。 水生植被具有净化水体的作用。植被的存在会影响污染物在水体中的运动。本文模拟计算了淹没植被作用下渠道中污染物的输移扩散运动，分析了植被对污染物垂向分布和纵向输移的影响，并与实验结果进行了比较。另外本文还研究分析了污染物运动在植被种植前后的变化。 本文的数值模拟结果显示，计算结果与实验结果吻合较好，证明本文模型具有一定的可靠性和有效性。本文总结的植被渠道的水流现象和污染物输移扩散规律具有一定的参考价值，可为实际的河流湿地管理、生态河道建设及河流的污染治理工程提供一定的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1课题研究目的和意义

1.2国内外研究进展

1.2.1植被对水流影响的研究进展

1.2.2植被对污染物输移扩散影响的研究进展

1.3本文的工作内容

2植被渠道水流和污染物输移扩散的三维模型

2.1植被对水流的作用

2.2水流和污染物输移扩散的控制方程

2.3植被作用下水流和污染物输移扩散的控制方程

2.4三维曲线坐标变换

2.5数学模型的离散和求解过程

2.5.1模型离散

2.5.2压力与速度的校正

2.5.3边界条件

2.5.4模型求解过程

2.6本章小结

3植被渠道水流三维模型的验证

3.1淹没植被作用下顺直渠道水流的数值模拟

3.1.1实验模型概述

3.1.2数值模拟计算及结果分析

3.1.3不同种植密度下水流结构的比较

3.2植被作用下弯道水流的数值模拟

3.2.1实验模型概述

3.2.2数值模拟计算及结果分析

3.3本章小结

4植被渠道污染物输移扩散三维模型的验证

4.1实验模型概述

4.2数值模拟计算及结果分析

4.3植被种植前后污染物输移扩散的比较

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢