《含植物明渠流動分區及特徵尺度研究》是依託河海大學，由閆靜擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：含植物明渠流動分區及特徵尺度研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：閆靜
- 依託單位：河海大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
植物是生態河流必不可少的要素之一。植物的存在，改變了河流中的紊流結構，對於含植物明渠紊流統計特性的描述，至今未有公認的、統一的表達形式。這是由於流動沿垂向存在較強的不均勻性，需要對流動進行分區，根據各區流動類型和特點，選取各自合適的流動特徵尺度，才能對紊流統計特性進行有效無量綱化來得到普適形式。本研究擬採用水槽實驗結合理論分析，對含植物明渠的流動分區和紊流統計特性的長度尺度、速度尺度進行研究，採用PIV技術測量流場渦結構，採用ADV技術測量流場參數，基於渦結構和紊流參數分布規律，對流動進行分區並確定流動分區界限；基於各區的紊流結構特點，確定各區流動類型；根據各區流動類型相應紊流理論，結合本研究實驗結果，探究各區長度和速度尺度。本研究有望進一步獲得含植物明渠紊流統計特性的普適表達形式，豐富大尺度糙元作用下的明渠紊流理論，並為河流植物生態修復工程實踐提供科學的依據。
結題摘要
植物條件下的明渠流動，由於流動沿垂向存在較強的不均勻性，流動特徵尺度沿水深應有較大差異，因此需要對流動進行分區，在不同的流動區域，為長度和速度選擇相應的流動尺度，藉助這些合適的特徵尺度將紊動特徵量進行有效的無量綱化，才能得到普適規律。本研究主要從紊流擬序結構，紊流統計特徵參數的分布規律以及紊流能量平衡三個方面，對流動分區和特徵尺度進行了研究。主要研究內容和結論有以下三個方面：一、運用流動顯示技術對流場中紊流擬序結構進行了研究，根據植物區與非植物區所存在的不同擬序結構特點，將流動沿垂向分為植物內層區、植物頂部附近區以及植物外層區三個區域：（1）植物內層擬序結構主要表現為弱猝發現象與尾流的綜合作用；（2）植物頂部附近擬序結構複雜多變，存在以噴射及清掃為主的猝發過程，也存在自由混合層中大渦配對及合併的現象（3）植物外層與明渠外區擬序結構類似，表現為渦體拉伸及紊流的間歇性。二、藉助聲學都卜勒流速儀（ADV）進行流動測量，並通過理論分析，提出並得到了表觀特徵尺度，以最大程度地統一不同實驗條件下紊流統計特性參量分布的共性規律。基於紊流統計特性參量分布規律及渦結構，得到流動四區分布。流速、雷諾應力、紊動強度分布均分為四個區域，且分區界限表現出較強的一致性，與渦結構具有較好的對應性，可在一定程度上反映流動分區。流動四區分布為：近床面區（壁面剪下紊流、尾渦）、中間Ⅰ區（KH渦、尾渦）、中間Ⅱ區（KH渦）、自由水面區。三、通過紊動能變化率分布，研究KH渦、尾渦紊動以及植物對KH渦的破碎作用，並沿水深進行流動分區，將含淹沒植物的明渠流動自下向上劃分為近床面耗散區、紊動生成區和紊動平衡區等3個子區域，各區域範圍受淹沒度和植物排列密度共同影響。
