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《长沙理工大学》 2013年
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明渠植物阻力特性的试验研究

李日刚  
【摘要】:天然河道中生长有水生植物,植物不仅影响河道水流时均流场和紊流结构,而且影响泥沙、养分及污染物的输运。因此开展含植物河道水流特性研究,对环境保护、生态修复和水利工程等都具有重要的工程实践意义。 河道中生长植物后,水流运动情况较平整泥沙河床的情况复杂得多。有学者将植物看成床面的凸起阻碍水流运动;也有学者认为植物的存在占据了过水断面,将其影响考虑为因减小过水断面面积而阻碍水流运动。由于对该问题理解的不同,得到的计算公式也有区别。事实上,由于植物的相对高度不同,对水流的影响有明显的差异,而且植物对水流影响有明显的三维特征,因此有必要进一步加深植物对水流运动影响的研究。 在变坡水槽中,采用圆棒模拟刚性植物,仿真草模拟柔性植物;将野生植物狄从河道移植到玻璃水槽。在上述三种情况下分别进行水槽试验,对不同的均匀流条件下的水流流速、水力坡度等参数进行测量,研究了解刚、柔性植物在多组水流条件下植物阻力的变化情况。试验结果表明:在同一水深条件下,不同流速时,刚性模拟植物在淹没和非淹没情况下,植物阻力都是随流速的增大而增大;柔性模拟植物的植物阻力则受到相对淹没度和水流流速双重因素的影响,其影响的程度与植物的形状有关并随水流作用的强度变化而变化,具有一定的不确定性;真实植物在非淹没情况下,试验流速范围内植物阻力都是随流速的增加而减小。 采用NDV对三种植物在均匀流条件下断面垂线流速分布进行测量,观察分析刚、柔性模拟植物以及真实植物在淹没、非淹没工况下水流结构,分析对比数据结果表明三种植物水流结构各不相同。 提出将植物产生的阻水作用等效为垂直于河床的附加当量湿周的阻水效应,运用爱因斯坦水力分割的思维方法,将河道阻力分割为河床阻力、河岸阻力、以及植物当量湿周上的附加摩擦阻力,此种分析方法有助于人们加深对植物与水流相互作用问题的理解。根据植物淹没高度与水深相当,植物均匀分布情况下的试验资料,推求植物-河道综合糙率系数的经验计算式。采用其他学者非淹没刚性植物试验资料进行验证,分析结果表明:均匀流条件下,对于非淹没刚性植物呈行列状均匀分布情况,经验计算式与曼宁公式求解所得n值偏差较小,经验计算式可用于植物河道综合糙率系数的近似值求解。
【学位授予单位】:长沙理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TV133

【参考文献】
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