仿生水草防护条件下明渠水流紊动特性试验研究

作     者：吕毅 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付长静

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：仿生草 流速分布 紊动特性 PIV 

摘      要：仿生草防护条件下明渠水流紊动特性试验研究对于探索河底管道悬空治理技术有着极为重要的意义,仿生草在明渠中的布置可以保护管道的稳定,但也改变了仿生草后水流的紊动特性。本文在实验室水槽中采用新型高分子仿生材料的仿生草,用粒子图像流速仪PIV（Particle Image Velocimetry）测量流速,研究仿生草铺设在渠底时草后的水流紊动特性。主要研究明渠紊流的时均流速、紊动强度、雷诺应力、紊动能等基本紊动特性在明渠不同的断面平均流速、仿生草不同的高度,仿生草不同的排列密度、仿生草不同的排列形式情况下的变化规律。主要研究成果如下:（1）断面平均流速越大,垂线上纵向时均流速的最大值位置逐渐下移,最大值先增大后减小;断面平均流速较小时,纵向紊动强度在垂向上沿水深递增,呈抛物线状走势,而断面流速较大时,在1/3草高出现极值点,纵向紊动强度沿水深呈倒“S状分布;雷诺应力大约1/2草高以下的水流所受影响最大;断面平均流速较小时,紊动能和水深呈指数关系,紊动能随水深增加而减小,紊动能最大值在渠道底部,断面流速较大时,二者不再服从指数关系;（2）随着草高的增大,仿生草倒伏高度处附近的纵向时均流速减小;仿生草越高,仿生草后水流的纵向紊动强度越小,且极大值几乎都出现在垂向底部1/3草高处;仿生草较高时,雷诺应力沿着水深的变化幅度较小,较稳定;临近渠道底部,草高越高,紊动能越小;临近倒伏高度处附近,草高越大,紊动能大致呈先增大后减小的变化规律;（3）垂线上纵向时均流速最大值随仿生草的排列密度减小而增大;仿生草的排列密度越小,草后水流的纵向紊动强度也就越大;排列密度越小时,垂线上纵向紊动强度极值点越靠下;随着排列密度的变化,在1/2草高以上雷诺应力在纵向的分布形式基本一致,相同水深处的应力值相差很小;仿生草排列密度越小,紊动能极大值沿垂向越靠近渠底,渠底附近区域的紊动能越大;（4）两种排列形式在渠底纵向时均流速均不为0,第二种排列形式在渠道底部的纵向时均流速较大;垂线上纵向时均流速最大值均在1/4草高处。在一定程度上,两种排列形式在测量剖面上半部分,纵向紊动强度前者较小,测量剖面下半部分则反之。排列形式的变化对雷诺应力的分布影响不大,从整体来看两种排列形式的雷诺应力分布大致相同。两种排列形式均在渠道底部的紊动能最大,相对而言,第一种排列形式在渠道底部附近的紊动能较大。