《植物條件下明渠紊流擬序結構和紊流類型研究》是依託河海大學，由閆靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：植物條件下明渠紊流擬序結構和紊流類型研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 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
紊流擬序結構是明渠水流結構的重要研究內容，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功能河道的重要特徵，與無植物明渠相比，植物糙元改變了紊流擬序結構，從而導致了紊流的機理和類型發生變化，同時這些紊流微觀細部結構的改變會引起泥沙運動和污染物輸移以及河流中物質交換的變化。本項目擬採用粒子圖像測速技術進行實驗室模擬植物條件下的河道流場測量，結合理論分析，對植物糙元作用下的明渠紊流擬序結構進行細緻的研究，通過研究紊流的各階流速統計矩，對紊流類型進行判定，通過研究相干渦結構的形成、沿程發展過程，對紊流類型進行驗證。在此基礎上，進一步尋求決定紊流類型的關鍵影響因素。項目的成果有望為生態河道的泥沙運動和污染物輸移研究提供依據。
結題摘要
本研究採用圓柱棒模擬植物，利用ADV測量流場，並結合流動顯示技術，對植物條件下明渠結構進行了實驗研究。主要針對植物局部阻力係數、紊流統計矩、紊流特徵長度（滲透深度和零平面位移）、紊流擬序結構進行了研究，發表相關文章12篇（標註論文7篇），待出版著作2部，授權發明專利2項，實用新型專利1項，獲軟體著作權1項，獲得教育部優秀成果技術發明二等獎1項（本人排名6），協助培養博士2名、碩士1名，獨立培養碩士4名，參加國內學術會議1次，國際學術會議1次，完成了項目的預期成果指標。主要的研究成果概括如下： 1、基於受力分析，提出了局部水流阻力、局部植被阻力、局部植被阻力係數的公式的形式，結合ADV流場測量結果，運用ACI分析方法，建立了植物局部阻力係數經驗公式。根據植物局部阻力係數沿水深分布規律，將植物內層分為三個區域：（1）類非淹沒區（局部植物阻力係數沿水深不變的區域，植物頂層的渦不能擴展到此區域，類非淹沒區的上限近似為滲透深度）（2）增長區（局部植物阻力係數沿水深增大的區域）（3）減小區（局部植物阻力係數沿水深減小的區域）。研究為植物水流的精細模擬提供了依據，也為植物層內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、植物密度對於紊流統計一階、二階、高階矩（平均流速、紊動強度、雷諾應力、偏態係數、峰態係數）的影響進行了實驗研究。實驗表明，植物和水流條件對於一階、二階矩影響明顯，對於高階矩影響不明顯。通過滲透深度的定義和雷諾應力的分布，對滲透深度進行了研究，發現淹沒度和植物的剛柔度對其影響明顯。根據零平面位移厚度的定義和雷諾應力分布、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（螢光鈉素為示蹤劑）、PIV技術和數字圖像處理技術，對植物條件下明渠紊流擬序結構進行了研究。實驗結果表明，植物的存在改變了明渠條件下的紊流結構，與無植物明渠存在明顯差異。根據擬序結構特性，將流動劃分為三個區域：植物內層區，為弱猝發現象與類卡門渦街的綜合作用；植物頂部附近區，紊流結構及類型複雜，既有猝發過程，也存在自由混合層中大渦配對現象，其中猝發頻率及噴射高度與淹沒度及流速成正相關；植物外層區，與自由剪下紊流類似，表現為渦體拉伸及紊流的間歇性。
