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有水葫芦河道水流特性试验及数值模拟研究

袁梦  
【摘要】: 水葫芦在长江及其以南的河道、湖泊和水库中疯狂生长,大量繁殖后,遮蔽水面,占用了行洪断面积,增大了河流的阻力,遇到障物后,造成河道严重堵塞,形成一道“水坝”,阻碍水体的流动,致使水面壅高,给堤防造成很大隐患。 本文在对有植被的河道水流问题以及相似研究的国内外研究现状的基础上,通过室内物理模型试验和数值模拟的方法,研究、分析大面积覆盖水面的水葫芦对河道行洪能力,及其对河道水体结构、水流特性的影响。 物理模型试验中,根据紊动强度和雷诺应力沿程变化,将有水葫芦河道水流划分成三个区域,即无水葫芦覆盖但受影响区、水葫芦前缘区以及充分发展的水葫芦覆盖区。在此三个区域典型断面上,分析对比不同工况下,有无水葫芦覆盖时水流的时均流速、水位壅高、糙率、紊动强度、雷诺应力等水力学要素的变化规律。根据水深方向水流结构的变化,把水流分为两个区域:根茎区(相对水深Y0.7)和根茎以下区(相对水深Y0.7)。典型断面在根茎以下区相对紊动强度变化很小,在根茎区,第7断面上相对紊动强度小,但相对于无水葫芦时有明显增大,在第2断面及前缘区临界断面上变化显著,尤其是临界断面,相对紊动强度波动很剧烈。雷诺应力和紊动强度分布规律相似。本文利用动量定理及力的平衡方程推导出了有水葫芦河道在水流处于恒定非均匀流下的综合糙率计算公式。 水葫芦对水流影响的数值模拟主要利用计算流体力学软件FLUENT,结合RNG双方程湍流模型,用VOF方法追踪自由水面,对有水葫芦覆盖的水槽二维两相流场作了数值模拟,采用多孔介质域模拟水葫芦覆盖区域,以多孔介质前后压强配合空隙率来确定渗透率,给出了壅高水面线及流速等参数的分布。将数值计算得到的水面壅高值及流速分布与试验实测结果进行了比对,两者吻合较好。


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