芦苇阻力系数物模及湿地水流数模研究

论文摘要

本文对松嫩流域扎龙湿地主要植物芦苇的阻力特性进行了较系统的研究。 首先，定义了芦苇水流阻力的渠底等效剪应力；按相似原理进行了两种芦苇密度的阻力水槽模型实验；利用恒定非均匀流水力参数的基本关系，由实测水面线计算芦苇阻力的渠底等效剪应力，进而确定等效曼宁系数；实验结果表明非淹没芦苇的等效曼宁系数和水深基本上呈线性关系，它和流速的大小基本无关(在紊流范围内)；还给出了达西一韦西巴赫(Darcy—Weisbach)系数与水深的关系及曼宁系数与作用在三维单元水体上芦苇阻力间的关系。 第二，实测了模型芦苇丛中水流流速沿水深的变化，结果表明芦苇丛中流速为常数的假设是可以接受的；基于流速近似为常数的结论，得到了植株密度和曼宁糙率的理论关系，实验结果证实了它的正确性；实验结果还证实了在实验的芦苇密度范围内，单株芦苇的综合阻力系数C_D和植株密度基本无关，给出了C_D和曼宁糙率的换算关系； 第三，通过实验测定了一类高棵、密集分布的植物在淹没情况下，渠道中水流断面的速度分布曲线及糙率水深曲线，在假设植物区内的流速为均匀分布的前提下，预测非植物区内的流速分布，与实测值符合较好，当给定这个流速分布情况下，理论推导了糙率系数和水深的关系，对淹没条件和非淹没条件可以互相换算，给出了淹没状态下糙率～水深关系曲线计算的实例，实验结果也验证了这一换算关系。 第四，利用上述芦苇糙率和阻力的研究结果，对植有芦苇湿地的水流运动进行了一维和二维数值计算。在一维计算中，在Preissmann格式的基础上，补充使用流量平衡关系和重复使用连续性方程，构成了新的求解一维浅水方程的递推方程组，改进了四点时空偏心隐格式求解方法，并用溃坝波计算验证了这一改进算法，进而计算了芦苇引起的洪水波历时曲线的变形。在二维计算中，引入了空气动力学中发展起来的AUSM格式，在非结构性网格上采用有限体积法，对二维浅水方程进行了数值离散和求解，并对浅水中出现的干滩及糙率源项等问题，提出或应用了有效的处理方法。然后，进行了溃坝，斜水跃等多个算例，验证了该计算格式及方法的可靠性和可行性。 最后，结合论文前半部分得到的芦苇阻力系数计算模型，对松嫩流域——扎龙湿地的不同来流工况进行了数值模拟分析，针对芦苇阻力在湿地蓄、滞洪过程中所起到的作用，进行了一个综合分析和评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 湿地水流特性的研究简介
• 1.2.1 植物阻水特性的研究历史与现状
• 1.2.2 湿地数值模拟简介
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 非淹没情况下芦苇阻力特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 非淹没条件下芦苇水流阻力的理论分析
• 2.2.1 等效曼宁阻力系数
• 2.2.2 单元体ΔxΔyΔz上的流向阻力
• 2.3 实验装置与实验结果
• 2.3.1 实验装置与布置
• 2.3.2实验工况描述
• 2.3.3 模型芦苇的体积比与水深的关系
• V与水深的关系'>2.3.4 实测等效糙率系数n_V与水深的关系
• 2.4 非淹没条件下芦苇区流速的垂向分布
• 2.5 芦苇密度与糙率的关系
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 芦苇密度与糙率关系的理论分析
• 2.5.3 与文献资料的实验结果的比较
• 2.6 芦苇模型弯曲和叶子数量对糙率水深关系曲线的影响
• 2.6.1 芦苇模型弯曲对糙率水深关系曲线的影响
• 2.6.2 芦苇叶子的数量对糙率水深关系曲线的影响
• 2.7 芦苇的其它阻力参数
• 2.7.1 原型的Darcy-Weisbach系数f与水深的关系
• D'>2.7.2 芦苇的单株阻力系数C_D
• 2.7.3 原型单元体上的流向阻力
• 2.8 本章小结
• 3 非淹没和淹没条件下芦苇水流阻力系数的转换
• 3.1 引言
• 3.2 淹没条件下芦苇水流阻力的理论分析
• 3.2.1 淹没实验装置与布置
• 3.2.2 过流断面的流速分布分析
• 3.2.2 非淹没和淹没糙率系数的转换关系计算模型
• 3.2.3 实验验证流速分布
• 3.2.4 淹没时的糙率水深曲线
• 3.3 文献资料的计算模型
• 3.4 本章小结
• 4 水流运动的一、二维数值模拟方法
• 4.1 湿地水流运动的一维数值模拟
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 四点时空偏心隐格式求解方法的两种改进的新方法
• 4.1.3 芦苇对洪水历时曲线的影响
• 4.1.4 稳定性分析
• 4.1.5 小结
• 4.2 平面二维水流运动数值模拟
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 控制方程和数值离散
• 4.2.3 用AUSM格式计算界面通量
• 4.2.4 底坡及干滩处理
• 4.2.5 边界条件
• 4.2.6 算例的结果与讨论
• 4.2.7 小结
• 5 扎龙湿地二维水流运动的数值模拟
• 5.1 基本资料
• 5.2 糙率取值分布
• 5.3 计算地形及网格剖分
• 5.4 计算工况
• 5.5 不考虑芦苇阻力时的湿地洪水演进模拟
• 5.6 考虑芦苇阻力的湿地洪水演进模拟
• 5.7 湿地蓄滞洪能力分析
• 5.8 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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