植物對明渠懸移質輸移的影響機理研究

《植物對明渠懸移質輸移的影響機理研究》是依託河海大學，由呂升奇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：植物對明渠懸移質輸移的影響機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：呂升奇
• 依託單位：河海大學

項目摘要

明渠挾沙水流流經植物時，微觀紊動結構發生顯著變化，呈現強烈的三維運動特性，完全不同於邊界層流動。懸移質濃度的垂線分布及輸移規律顯示出新的特徵，Rouse公式不再適用，傳統的懸移質輸沙率計算方法亦需要改進。本課題擬以紊流力學、泥沙運動力學為基礎，在水槽中模擬全斷面有植物的矩形河槽及灘地有植物的複式河槽，利用ADV、PIV測量不同植物條件下清水及挾沙水流的脈動流速場，同時利用採樣法測定懸移質濃度。分析水流中脈動流速及其機率密度分布、雷諾應力、能譜分布、紊動擴散及動量交換等紊動參數的分布規律及其與懸移質濃度垂線分布的相關關係；揭示植物的剛度，形狀、高度、分布密度、分布方式對紊流結構及懸移質濃度垂線分布的影響機理；建立植物對懸移質輸沙率影響的指標體系；推導不同植物條件下懸移質輸沙率的計算公式。研究成果可為植物影響下的河流輸沙計算提供理論和技術支持，豐富和完善泥沙運動力學的研究內容。

結題摘要

明渠水流流經植物時，微觀紊動結構發生顯著變化，呈現強烈的三維運動特性，完全不同於邊界層流動。水流阻力、懸移質濃度的垂線分布、推移質的起動及輸移規律都顯示出新的特徵，傳統的水流阻力、泥沙起動流速、水流挾沙力等計算方法需要改進。為了提高水流流速及泥沙濃度的測量精度，本課題探討了水體特性及顆粒特性對ADV流速測量的影響情況，根據ADV聲強信號中含有懸移質濃度信息這一特點，研究了利用ADV來計算懸移質泥沙濃度的方法。以紊流力學、泥沙運動力學相關理論為基礎，在水槽中模擬水生植物對水流阻力、懸移質濃度垂線分布、推移質的起動及輸移規律的影響。測量並計算水流中脈動流速及其機率密度、雷諾應力等紊動參數，分析植物的剛度，分布密度、淹沒度對紊流結構及懸移質濃度垂線分布的影響機理，首次提出紊動擴散勢的概念，用來解釋泥沙濃度的分布規律。通過分析非淹沒剛性植物對水流阻力及泥沙起動規律的影響，推導了有植物條件下的水力半徑，給出了新的沙波切應力公式及泥沙起動流速公式。研究成果可為植物影響下的河流輸沙計算提供理論和技術支持，豐富和完善了泥沙運動力學的研究內容。