灘地植被化複式彎曲河槽熱污染輸移機理研究

《灘地植被化複式彎曲河槽熱污染輸移機理研究》是依託武漢大學，由槐文信擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：灘地植被化複式彎曲河槽熱污染輸移機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：槐文信
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

項目針對植被化河槽熱污染物混合輸移特性為對象，以研究植被、浮力和強二次流作用下灘地植被化明複式彎曲河槽熱污染的遷移規律和預報模型為目標。（1）研究植被、浮力和弱二次流作用下灘地植被化複式彎曲明渠熱擴散輸移的流場和溫度分布規律；(2) 研究植被、浮力和強二次流作用下灘地植被化複式斷面明渠熱混合輸移流場和溫度場的變化規律;(3) 在對植被化彎曲複式斷面明渠熱污染行為的過程和機理深入研究的基礎上，建立考慮植被作用、浮力作用的三維水動力學模型以及熱擴散模型。從而形成這類流動的理論分析方法，同時就該類流動的浮力效應、植被形成的強剪下以及二次流對熱擴散的作用和紊流的普朗特數等進行深入研究。為河道環境規劃與管理、以及研究控制和治理植被化河道上污染的措施提供科學依據。同時也可以豐富和拓寬環境水力學的體系和內容，因此該項目具有重要的科學意義和廣闊的套用前景。

結題摘要

彎道、植被是生態河道中存在的常見形式。植被與水流的相互作用，彎道及其河道地形等因素引起的二次流等均是影響污染物混合輸移的主要因素。因此研究灘地植被化複式彎道河槽污染物混合輸移機理對生態河道設計，環境影響評價具有重要的參考價值，同時也豐富了環境水力學的理論體系，具有重要的科學意義和廣闊的套用前景。本研究重點對順直部分植被河道的水流結構，動量交換，能量輸移轉換和消耗特性進行了實驗研究和數值理論分析。建立了植被河道水深平均二維水流數學模型，並給出了相應的數值解法，考慮了植被與水流的相互作用和複式斷面二次流的描述，形成了植被河道明渠流動的分析理論；針對懸浮植被水流，首次建立了立面二維植被水流數學模型，得出了與試驗資料十分吻合的結果；對多層植被存在的明渠水流，採用多孔介質理論和水流的控制方程，建立了層流狀態和紊流狀態下立面二維水流數學模型，揭示了植被與水流相互作用機理，給出了水流提供能量，能量的傳遞與消耗的解析表達式，解析表達了能量守恆性。針對彎道植被水流，採用室內試驗得到了基於ADV測量的部分植被與無植被存在多種工況下的水流結構的時均和紊動特性，探討了植被、強二次流等因素對水流的作用機理，同時為相應的數值模擬奠定了對比基礎。建立了基於RNG紊流模型的水深平均二維植被彎道水流數學模型，給出了相應的數值解法，與實驗資料的良好吻合證明了模型和數值方法的有效性和正確性，特別對彎道植被水流，提出了刻畫二次流的簡單且有效的表達式，揭示出隨著彎道角度的增大，二次流係數逐漸增加的規律；建立了基於大渦模擬的植被彎道水流全三維數值模型，將植被直接視為邊界，模擬結果精度高，同時驗證了植被群拖曳力計算模式的正確性，揭示了植被彎道河床切應力的演替規律。針對灘地植被化彎道水流，試驗採用羅丹明螢光染料作為示蹤劑，採用YSI 公司生產的6-Series水質探測儀對若干個典型斷面中心處的濃度時間分布進行測量，重點考慮了植被，彎道，複式斷面形成的二次流對污染物輸移的影響，給出了彎道植被水流縱向離散係數的估計理論。