沙波與植物復(fù)合床面明渠紊流結(jié)構(gòu)及泥沙輸移研究

沙波與植物共存條件下的明渠紊流結(jié)構(gòu)和泥沙運動研究，涉及到水、沙、植物三者之間的相互作用，是水環(huán)境治理與水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究的重要基礎(chǔ)。本項目采用水槽試驗和理論分析相結(jié)合的方法，利用聲學(xué)多普勒流速儀、粒子圖像測速系統(tǒng)以及圖像處理技術(shù)等，對沙波與植物復(fù)合床面條件下的明渠紊流特性和泥沙輸移規(guī)律進行了詳細(xì)的研究，獲得了沙波床面、植物床面和沙波與植物共存條件下明渠水流的時均流速、紊動強度分布規(guī)律及擬序結(jié)構(gòu)特征，通過象限分析法得到了不同床面條件的平均噴射和清掃周期以及各象限事件占總量的比例，并對沙波床面噴射和清掃的強度分布進行了統(tǒng)計分析，建立了綜合考慮沙波和植物因素的明渠推移質(zhì)輸沙率公式。本項目的研究成果豐富了明渠紊流和泥沙運動力學(xué)理論，完善了松散和柔性邊界水沙動力學(xué)研究，同時為天然河流演變分析以及河流環(huán)境生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

沙波與植物共存條件下的明渠紊流結(jié)構(gòu)和泥沙運動研究，涉及到水、沙、植物三者之間的相互作用，是水環(huán)境治理與水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究的重要基礎(chǔ)。本項目擬采用天然沙塑造沙波作為明渠床面松散邊界，采用具有一定剛度的塑料片來模擬天然植物形成的柔性邊界，利用超聲波流速儀、粒子圖像測速系統(tǒng)以及圖像處理技術(shù)等，對沙波與植物復(fù)合床面條件下的明渠紊流特性和泥沙輸移規(guī)律進行詳盡細(xì)致的研究，定量描述三維可動沙波和植物共存條件下明渠水流的時均流速、紊動強度分布規(guī)律及擬序結(jié)構(gòu)特征，確定泥沙顆粒躍移、揚動的判別指標(biāo)和臨界條件，揭示水、沙、植物相互作用機制，建立綜合考慮沙波和植物因素的輸沙率公式。本項目的研究成果將豐富明渠紊流和泥沙運動力學(xué)理論，完善松散和柔性邊界水沙動力學(xué)研究，同時為天然河流演變分析以及河流環(huán)境生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

紊流擬序結(jié)構(gòu)是明渠水流結(jié)構(gòu)的重要研究內(nèi)容，對河流中泥沙運動和污染物輸移有很大的影響。植物是具有完備生態(tài)功能河道的重要特征，與無植物明渠相比，植物糙元改變了紊流擬序結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致了紊流的機理和類型發(fā)生變化，同時這些紊流微觀細(xì)部結(jié)構(gòu)的改變會引起泥沙運動和污染物輸移以及河流中物質(zhì)交換的變化。本項目擬采用粒子圖像測速技術(shù)進行實驗室模擬植物條件下的河道流場測量，結(jié)合理論分析，對植物糙元作用下的明渠紊流擬序結(jié)構(gòu)進行細(xì)致的研究，通過研究紊流的各階流速統(tǒng)計矩，對紊流類型進行判定，通過研究相干渦結(jié)構(gòu)的形成、沿程發(fā)展過程，對紊流類型進行驗證。在此基礎(chǔ)上，進一步尋求決定紊流類型的關(guān)鍵影響因素。項目的成果有望為生態(tài)河道的泥沙運動和污染物輸移研究提供依據(jù)。

本研究采用圓柱棒模擬植物，利用ADV測量流場，并結(jié)合流動顯示技術(shù)，對植物條件下明渠結(jié)構(gòu)進行了實驗研究。主要針對植物局部阻力系數(shù)、紊流統(tǒng)計矩、紊流特征長度（滲透深度和零平面位移）、紊流擬序結(jié)構(gòu)進行了研究，發(fā)表相關(guān)文章12篇（標(biāo)注論文7篇），待出版著作2部，授權(quán)發(fā)明專利2項，實用新型專利1項，獲軟件著作權(quán)1項，獲得教育部優(yōu)秀成果技術(shù)發(fā)明二等獎1項（本人排名6），協(xié)助培養(yǎng)博士2名、碩士1名，獨立培養(yǎng)碩士4名，參加國內(nèi)學(xué)術(shù)會議1次，國際學(xué)術(shù)會議1次，完成了項目的預(yù)期成果指標(biāo)。主要的研究成果概括如下： 1、基于受力分析，提出了局部水流阻力、局部植被阻力、局部植被阻力系數(shù)的公式的形式，結(jié)合ADV流場測量結(jié)果，運用ACI分析方法，建立了植物局部阻力系數(shù)經(jīng)驗公式。根據(jù)植物局部阻力系數(shù)沿水深分布規(guī)律，將植物內(nèi)層分為三個區(qū)域：（1）類非淹沒區(qū)（局部植物阻力系數(shù)沿水深不變的區(qū)域，植物頂層的渦不能擴展到此區(qū)域，類非淹沒區(qū)的上限近似為滲透深度）（2）增長區(qū)（局部植物阻力系數(shù)沿水深增大的區(qū)域）（3）減小區(qū)（局部植物阻力系數(shù)沿水深減小的區(qū)域）。研究為植物水流的精細(xì)模擬提供了依據(jù)，也為植物層內(nèi)部紊流機理的研究提供了思路。 2、對斷面平均流速、植物淹沒度、植物密度對于紊流統(tǒng)計一階、二階、高階矩（平均流速、紊動強度、雷諾應(yīng)力、偏態(tài)系數(shù)、峰態(tài)系數(shù)）的影響進行了實驗研究。實驗表明，植物和水流條件對于一階、二階矩影響明顯，對于高階矩影響不明顯。通過滲透深度的定義和雷諾應(yīng)力的分布，對滲透深度進行了研究，發(fā)現(xiàn)淹沒度和植物的剛?cè)岫葘ζ溆绊懨黠@。根據(jù)零平面位移厚度的定義和雷諾應(yīng)力分布、流速分布，計算了不同工況下的零平面位移厚的，其變化趨勢和滲透深度近似。 3、運用流動顯示技術(shù)（熒光鈉素為示蹤劑）、PIV技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，對植物條件下明渠紊流擬序結(jié)構(gòu)進行了研究。實驗結(jié)果表明，植物的存在改變了明渠條件下的紊流結(jié)構(gòu)，與無植物明渠存在明顯差異。根據(jù)擬序結(jié)構(gòu)特性，將流動劃分為三個區(qū)域：植物內(nèi)層區(qū)，為弱猝發(fā)現(xiàn)象與類卡門渦街的綜合作用；植物頂部附近區(qū)，紊流結(jié)構(gòu)及類型復(fù)雜，既有猝發(fā)過程，也存在自由混合層中大渦配對現(xiàn)象，其中猝發(fā)頻率及噴射高度與淹沒度及流速成正相關(guān)；植物外層區(qū)，與自由剪切紊流類似，表現(xiàn)為渦體拉伸及紊流的間歇性。 2100433B

強水流是一種常見的自然現(xiàn)象，具有強沖擊、強沖刷和強輸沙能力等特點。它經(jīng)常發(fā)生于堤壩潰決過程中，造成非常嚴(yán)重的后果。進行強水流作用下推移質(zhì)輸移規(guī)律的研究是水沙動力學(xué)領(lǐng)域的前沿問題，具有重要的科學(xué)價值和工程意義。本項目通過水槽試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展研究，研究成果主要包括：（1）潰壩強水流作用下，河床表層泥沙根據(jù)不同特征可分為三個區(qū)域：第一區(qū)域為河床粗化區(qū)，第二區(qū)域有為小顆粒泥沙沉積區(qū)，第三區(qū)域為粗顆粒泥沙沉積區(qū)。（2）強水流作用下床面推移質(zhì)泥沙粒徑垂向上呈明顯分層現(xiàn)象，粗顆粒泥沙層和細(xì)顆粒泥沙層交替分布。（3）強水流作用下床面剪切力與r/D具有明顯的線性關(guān)系，強水流的推移質(zhì)輸沙率受水力半徑與泥沙粒徑比值的影響明顯。（4）強水流作用下床面不同沙波之間的幾何形態(tài)自相似主要受限于沙波的波長和波高。（5）考慮泥沙顆粒的碰撞作用，建立了強水流作用下推移質(zhì)輸沙率公式以及不平衡輸沙方程。（6）設(shè)計了非接觸式推移質(zhì)輸沙率的測量裝置并提出了測量方法。本項目的部分研究成果已應(yīng)用于望謨河的整治和成子河泄洪道交匯區(qū)的流態(tài)的研究，為實際工程提供了參考。 2100433B