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《华中农业大学》 2012年
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小型冲蚀槽设计中水力学参数获取及冲蚀试验效果

张国彪  
【摘要】:我国红壤丘陵区开发利用强度大,土壤侵蚀成为该区土地退化的重要形式之一,水力侵蚀是该区土壤侵蚀的主要类型。研究薄层水流水力学特性,是研究水力侵蚀机理的基础。近年来利用实验室装置室内模拟坡面薄层水流来弄清楚坡面流水力学规律的试验研究越来越受到重视。本文依据前人研究结果,设计一种小型变坡定床冲蚀水槽,通过坡面流水力学特性试验以及粗颗粒泥沙(团聚体)在坡面流下的输移过程冲蚀试验来验证该装置的可靠性和实用性,试验取得的主要结果如下: (1)各水力学参数均达到设计值,能满足侵蚀试验要求,且与其他研究者研究结果在同一范围。该冲蚀水槽性能可靠,不同坡度及流量对各个水力学参数具有极显著影响,坡面水流冲蚀试验结果同其他研究者相比具有一致性。 (2)坡面流流态主要以过渡流和紊流为主,通过佛汝德数Fr可知试验范围内坡面流全部为急流状态,层流和缓流很少出现;对于雷诺数Re来说,主要受流量影响,二者呈现极显著的线性正相关关系且与坡度无关;佛汝德数Fr可表示为坡度和流量的幂函数,拟合方程达到极显著水平,且坡度对Fr的影响要大于流量。Fr与Re呈现显著的幂函数关系,坡度对二者之间关系影响较大。 (3)坡面流流速、平均水深和阻力系数均可表示为坡度和流量的幂函数方程,流量对三个参数影响均大于坡度,坡度对平均水深的影响要略大于对平均流速影响。可以直接利用流速大小来验证坡面流是急流还是缓流;而利用流速判断坡面流是层流还是紊流则需要考虑不同的坡度影响。一定坡度下阻力系数f与雷诺数Re和佛汝德数Fr均呈幂函数负相关关系。 (4)随着坡度和流量的增加,水流剪切力、水流功率、单位水流功率三个参数均呈幂函数增加趋势,坡度对三个参数的影响程度要大于流量;与水流剪切力、水流功率和单位水流功率相关性能达到极显著水平的基本水力学参数是坡面流平均流速和佛汝德数Fr,在本试验研究范围内无论从力或是能量角度分析,反映水流流态的佛汝德数Fr是表征坡面流侵蚀力的最佳基本水力学参数。 (5)不同坡度流量下坡面水流对团聚体输移过程中剥蚀程度有极显著差异,坡度的影响要大于流量,一定流量下团聚体的剥蚀程度随着坡度的增大而增加。缓坡条件(26.8%)下,团聚体剥蚀程度随着流量的增加出现减小趋势;陡坡条件下随着流量的增加团聚体剥蚀先减小后增大,二者呈抛物线拟合关系。从物理意义上看坡面流阻力系数和平均深度是表征坡面流输移过程中粗颗粒泥沙(团聚体)侵蚀状况的最佳水力学参数。坡面流综合性动力学参数水流剪切力和水流功率与泥沙输移过程下剥蚀程度的相关性均不显著。用平均水流深度与坡度的幂函数方程可以得到与坡度、流量拟合方程一样的决定系数,使得在坡面流输移过程下泥沙颗粒剥蚀大小预测精度大大增加。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:S157

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【参考文献】
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