《含淹沒植物斑塊明渠非均勻流水動力特性研究》是依託河海大學，由曾誠擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：含淹沒植物斑塊明渠非均勻流水動力特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：曾誠
- 依託單位：河海大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
淹沒植物斑塊在河湖濕地水生生態系統中發揮著重要作用，在國內外受到廣泛關注。本項目擬針對目前河湖濕地中存在的實際問題和基礎理論研究不足的現狀，採用物理模型實驗和數值模擬研究相結合的方法，揭示含淹沒植物斑塊明渠非均勻流的水動力特性。通過實驗觀測探究植物斑塊的長度、密度和剛度對明渠水流內部動量和能量沿流向傳播的影響，從水動力學角度揭示淹沒植物斑塊在沉積物浮沉和污染物輸移方面所起的作用；建立並率定能準確模擬含淹沒植物斑塊明渠非均勻流中速度和動量演化的三維數值模型；對含不同間距的多個淹沒植物斑塊組合的明渠非均勻流進行數值模擬研究，對斑塊間隙間的水流流態進行分類，確定斑塊間的特徵距離，並探索不同植物斑塊組合對其周圍流場的疊加作用。本研究可更深入、全面地認識淹沒植物斑塊對明渠水流內部流速分布，動量和能量傳播方面的影響，為河湖濕地的保護與修護提供理論依據和技術支持。
結題摘要
植物斑塊廣泛地存在於河流、湖泊等濕地系統中，並在河湖濕地水生生態系統中發揮著重要的作用。本項目針對目前河湖濕地中存在的實際問題和基礎理論研究不足的現狀，採用物理模型實驗和數值模擬研究相結合的方法，揭示含淹沒植物斑塊明渠非均勻流的水動力特性。通過對含有限長度半剛性植物斑塊明渠非均勻流的實驗測量，分析得到了在特定工況下植物斑塊內部流速剖面和紊動特性的演變情況。測量結果顯示，植物斑塊內部存在一個入侵區域，區域內的最大雷諾應力仍發生在水槽底部。因為斑塊內部的雷諾應力需要一個較長的距離來達到空間穩定狀態，因此速度剖面在植物斑塊的下游部分保持沿程恆定。植物斑塊的密度越大，導致斑塊內部調整區域的長度越短，紊流強度越大。本次實驗測量中採用的植被密度允許水流通過，並且使得植物斑塊內部的雷諾應力和紊動能量在斑塊下游段達到最大值。隨後我們建立了三維雷諾時均方程模型來模擬水流在植物斑塊內部平均流特性和紊動特性的演變情況。在數值模擬研究中，開發了一種基於Spalart-Allmaras（S-A）紊流模型的改進模型，通過比較發現這種改進的S-A模型在模擬含植物斑塊明渠非均勻流時有更好的表現。數值模擬結果能真實反映出斑塊內部的平均流特性和紊動特性的演變情況，並與實測數據吻合較好。利用率定得到的數值模型，對多種工況進行模擬研究，發現斑塊內部調整段長度與水深和時均流速成正比，與摩阻流速和最大剪下應力成反比。通過對數值模擬結果的進一步總結和概化，得到了針對平均流速和雷諾應力的調整段長度的經驗公式。研究成果被成功套用於含多個植物斑塊河道中水流的模擬。通過對複雜河道環境下跨河橋樑工程的壅水分析計算，歸納總結出多個植物斑塊對其周圍流場的疊加規律，以及多個植物斑塊對橋址處壅水高度的影響。對特定工況下植物斑塊間的流態進行了描述。對不同來流工況下，植物斑塊間可能出現的水流流態進行了分類。
