植物河道的模拟技术与稳定河相关系研究

论文摘要

随着生态环境的恶化,人们环保意识的增强,以及我国可持续发展战略的提出,生态型河流的构建越来越受到人们的重视和推崇。生态型河流的发展,不仅满足了流水行洪这一最基本的工程作用,而且具有环保、美化景观的功效。本文通过物理模型试验、理论分析和数值模拟等研究方法,揭示了河道植物群落对水流的作用机理、植物根系影响程度、河道泥沙运动规律和稳定河相关系,拓宽了前人对于植物河道的研究思路。物理模型试验着重研究了植物根系对边滩坡面固土抗冲性的影响。试验植物选择了麦冬草、芦苇和蒿草三种天然植物,测取了水流、地形、根系形态和冲刷量,得到了根系发达、最大根面积比率大、分布深的植物对于滩坡的固土护岸作用大且范围广,土体抗冲刷能力强的结论。同时,还得出了根系的纵深分布一般公式。为了揭示上述试验现象的本质,提出植物根系作用力表达式,对植物河道内的坡面泥沙起动流速、泥沙输移规律以及坡面地形调整进行了相应的理论推导,得到了考虑植物作用力因子在内的各项表达式。根据起动流速,提出了临界坡面,并推导了其计算关系。探讨了植物根系作用力因子的确定方法,指出了根系作用力因子和根系面积比率的关系。借助有限差分和龙格库塔数值方法,利用MATLAB语言编写程序求解上述理论问题,并通过与试验数据对比验证了理论推导。临界坡面的求解结果显示了河道断面发展趋向稳定时的一个雏形。仙农熵理论的引入,提供了除基于力学理论方法外的另一种解释河床演变规律的方法。利用这种方法,推导了考虑植物根系面积比率的河相关系动态调整公式,并通过物理模型试验验证了该公式的可行性。本文还利用FLUENT软件,建立了简单的三维植物河道模型,分未淹没植物和淹没植物两种状况,初步模拟了河道滩地植物群落对流场的影响,模拟结果显示:在淹没状况下,“滩流回槽”现象较为突出,紊动强度和范围均较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 植物河道的研究现状
• 1.2.1 植物河道水流结构的研究
• 1.2.2 植物河道泥沙运动规律的研究
• 1.2.3 植物根系在植物河道中的作用研究
• 1.3 本文的研究内容和路线
• 2 植物河道边滩抗冲性试验研究
• 2.1 试验简介
• 2.2 根系参数的测定
• 2.2.1 种植密度的测定
• 2.2.2 根系面积比率及其分布测定
• 2.3 冲刷量的测定
• 2.4 数据分析
• 2.4.1 植物根系与冲刷量的关系
• 2.4.2 植物根系参数RAR 纵深分布规律
• 2.4.3 试验泥沙粒径级配
• 2.4.4 地形变化
• 2.5 本章小结
• 3 植物河道坡面泥沙起动和输移
• 3.1 植物河道坡面泥沙起动
• 3.1.1 植物根系作用力的简化
• 3.1.2 含有植物根系作用下的斜坡上的泥沙起动一般条件
• 3.1.3 植物河道边坡泥沙起动条件和起动流速
• 3.2 植物河道边坡泥沙输移
• 3.3 河道坡面动态变形
• 3.4 临界稳定坡面的理论推导
• 3.4.1 坡面地形函数
• 3.4.2 坡面流速
• 3.4.3 临界坡面地形方程
• R 的讨论'>3.5 关于植物根系作用因子C_R的讨论
• R 的确定方法和步骤'>3.5.1 C_R的确定方法和步骤
• 3.5.2 试验确定
• R 横向分布'>3.5.3 植物根系作用力因子C_R横向分布
• 3.6 本章小结
• 4 边坡调整和临界稳定坡面的数值求解
• 4.1 边坡调整的数值解法
• 4.1.1 边坡调整问题的数值问题转化
• 4.1.2 方程的离散分析
• 4.1.3 计算求解
• 4.2 临界坡面地形函数常微分方程的数值解法
• 4.3 本章小结
• 5 植物河道河相关系动态调整
• 5.1 理论推导
• 5.1.1 仙农熵
• 5.1.2 公式推导
• 5.2 参数k 的敏感性分析
• 5.2.1 麦冬草试验验证
• 5.2.2 柳枝试验验证
• 5.3 对植物因子a的分析
• 5.4 本章小结
• 6 植物河道漫滩水流 FLUENT 模拟
• 6.1 未淹没状况下的流场分析
• 6.1.1 X 方向流速分析
• 6.1.2 Y 方向流速分析
• 6.1.3 Z 方向流速分析
• 6.1.4 紊流动能分析
• 6.2 淹没状况下流场分析
• 6.2.1 整体分析
• 6.2.2 X 向流速分析
• 6.2.3 Y 向流速分析
• 6.2.4 Z 向流速分析
• 6.2.5 紊动动能分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 存在的问题
• 7.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文
• 参加的研究项目