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定床阻力坡面薄层水流水力特性研究

冯美娟  
【摘要】:坡面薄层流是土壤侵蚀过程的主要动力,其水力特性是研究侵蚀规律的基础,但因其流动受自然条件下不规则地形的影响、降雨的扰动以及试验设备技术使用等外界条件的限制,导致其水力条件复杂,试验研究困难重重,已有结论也存疑颇多。因此,本文在前人研究的基础上,采用新方法对其进行进一步探索和研究。 本文采用计算机数值模拟及水工模型试验两种方法相结合的方式,探索和研究坡面薄层流水力学特性各水力参数的变化规律。同时以数值模拟数据作为试验尺寸及测量距离设计的参考依据,通过水工模型试验,试图得到判别和反映坡面薄层流流态界定的新方法。 FLUENT计算机模拟作为该课题研究的一种新的探索方式,根据坡面薄层流不同的下垫面条件,忽略降雨等外界条件干扰,以定床阻力水工模型试验为思路进行边界条件设置,采用VOF方法对坡面薄层流进行自由表面追踪,结合标准k-ε紊流模型模拟了水、气两相流在不同粗糙度床面条件下各水力学特性参数的的变化规律。 该模拟软件能够精确计算坡面薄层流平均速度,且通过XY分析图得知水流沿定床长度方向流速稳定的时间只有几秒钟,而水流速度的稳定距离则随着流量的减小而减小,当平均流速为1.5m/s时,稳定距离为3.5m。以上测量数据是试验模型尺寸设计及流速测量距离确定的依据。 通过数值模拟定床阻力试验得出,同流量、相同床面粗糙度状况下,随着坡度的增大,水流平均速度、雷诺数Re、傅汝德数Fr以及阻力系数均有小幅度增大趋势,这表明随着坡度的增加,坡面流流态更趋向于阻力平方区。当床面坡度、流量相同而表面粗糙度不同时,随着床面凸起度的增大,阻力系数增大,水流消耗的能量也随之增大,水流速度、雷诺数减小,水流有从急流变为缓流的趋势。以上结论均与已有文献结论一致,证实了该模拟方法的可行性,通过比较验证得出表面张力在坡面薄层流中的重要性,同时为流态判别及表面张力定量描述的进一步研究提供了新思路。 模型试验应用明渠流理论对坡面薄层流进行简化处理,模拟雷诺试验,进行定床阻力放水试验,得出相同床面状况下,随着流量的增大,平均流速、水深均随着流量的增大呈增大趋势,但随着坡度的增大二者均无明显变化,因此在表达上均可近似认为二者仅为流量的函数,且呈较好的幂函数关系。随着流量的增大,雷诺数Re、弗汝德数Fr均亦与流量呈正势发展,但与坡度的关系依然不明显,而阻力系数随着流量的增大而减小,但随着坡度的增大而增大,意味着水流随着坡度的增大能量消耗也愈大。 通过模拟雷诺试验测得,坡面薄层流平均流速与表面流速之比随流量大小及坡度变化均有不同的取值,测得坡面薄层流下临界雷诺数的值约为700。


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