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含淹没柔性水生植被群的弯道水流特性PIV试验研究

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水力发电 2024年第1期50卷 103-108页

作者：陈吉爽杨海鹏景何仿杨佳双齐锦辉白江洲北方民族大学土木工程学院宁夏银川750021

为了研究淹没柔性水生植被对弯道水流的影响,采用水槽试验的方法,在U形弯道水槽凸岸的25°和45°附近布置相同种类的塑料草模型植被群,设置植被密度分别为密集和稀疏2种工况,采用自动水位测量系统和粒子图像测速仪(PIV)等仪器分别测量... 详细信息

为了研究淹没柔性水生植被对弯道水流的影响,采用水槽试验的方法,在U形弯道水槽凸岸的25°和45°附近布置相同种类的塑料草模型植被群,设置植被密度分别为密集和稀疏2种工况,采用自动水位测量系统和粒子图像测速仪(PIV)等仪器分别测量了在不同工况下植被附近及U形弯道水槽内水流的流速和水位,研究不同密度(株数/m^(2))的柔性水生植被对水流运动规律的影响。同时,利用测量结果对水位变化、水流流速分布、横比降变化、水头损失、水力坡降等规律进行分析。试验结果表明,弯道凸岸的水流在不同植被密度下各个断面(25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°)的流速大小变化均呈先下降后趋于平稳的趋势;凹岸的水流在不同植被密度下各个断面的流速大小变化情况差异较大,在60°断面密集植被的流速小于稀疏植被的流速,同时在150°断面大幅度上升后再下降并在弯道出口处大于稀疏植被的流速;植被群增大水头损失和水力坡降,其中密集植被群影响最大。

关键词：柔性植被粒子图像测速仪 U形弯道水槽水流特性影响

明渠紊流中淹没柔性植被流固耦合大涡数值模拟

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2022年第3期55卷 313-321页

作者：许栋梁心雅张炳昌及春宁天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072

水生植被广泛存在于天然河道、湖泊及湿地,是河流生态系统的重要成分.它通过改变明渠水流时均及紊动结构来改变河道水流阻力,并在水流作用下发生弯曲和摆动,形成复杂的流固耦合作用.研究柔性植被在水流作用下的运动响应,能够更精确地解... 详细信息

水生植被广泛存在于天然河道、湖泊及湿地,是河流生态系统的重要成分.它通过改变明渠水流时均及紊动结构来改变河道水流阻力,并在水流作用下发生弯曲和摆动,形成复杂的流固耦合作用.研究柔性植被在水流作用下的运动响应,能够更精确地解析植被的阻水效应.本文采用基于嵌入式迭代浸入边界法的高效能三维紊流计算程序CgLes,开展流固耦合数值模拟,研究柔性植被在水流作用下的弯曲及运动响应,分析植被涡激振动特性及水流阻力规律.模拟结果表明,植被运动以展向摆动为主导,植被刚度对植被运动轨迹和摆动周期有显著影响,进而影响植被的阻水规律.在水动力条件相同的情况下,植被的摆动周期与植被的弹性模量有关,且不受流场影响.随着刚度系数增大,植被运动模式从准周期性摆动变成周期性摆动,最终发展为刚性情况下的静止直立状态;植被刚度较大且间距较小时,植被存在逆流向弯折现象;在刚度较大时,柔性植被随着水流而摆动,抑制流速发展;但是当柔性植被刚度较小时,植被接近倒伏,明渠的平均流速对比刚性植被情况增大;本文算例中植被刚度对平均流速的影响最大约为2.47%.植被间距对植被的下弯幅度影响较小,但对展向摆幅作用显著;平均流速随植被间距增大而减小,植被间距主要影响植被层内部的水流流速,本文算例中植被间距对平均流速的影响最大约为8.19%.

关键词：柔性植被涡激振动浸入边界法流固耦合数值模拟

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含复杂形态柔性植被水流水力特性的试验研究

水动力学研究与进展（A辑） 2023年第6期38卷 974-986页

作者：桂婕王平北京林业大学水土保持学院北京100083

天然河道植被的复杂形态是影响水流结构和水流阻力的重要因素,对真实植物形态的准确描述有利于合理解释其水流水力特性。该文立足于真实水生植物,利用三种形态的塑料模拟植被(簇生草状型、分枝带叶型和平面单叶型)开展水槽试验,研究了... 详细信息

天然河道植被的复杂形态是影响水流结构和水流阻力的重要因素,对真实植物形态的准确描述有利于合理解释其水流水力特性。该文立足于真实水生植物,利用三种形态的塑料模拟植被(簇生草状型、分枝带叶型和平面单叶型)开展水槽试验,研究了柔性植被复杂形态对水流结构与阻力特性的作用机制,研究发现:①柔性植被复杂形态对水流结构的影响具有明显非均匀性,即叶片分布集中的部分对水流的阻挡作用更大,且植被形态的突变会使水流产生较大的剪切作用,当植被密度增加时该效应表现更明显;②其中,簇生草状植物主导流态为有利于泥沙淤积的内向交互作用流态;平面单叶植物主导流态为有利于泥沙起动与物质运输的外向交互流态;分枝带叶型植物主导流态在较高和较低密度下,为有利于泥沙起动与物质运输的外向交互流态,在中等密度下,为有利于泥沙淤积的内向交互作用流态;③三种类型植被阻力大小规律为:簇生草状>分枝带叶>平面单叶,植被在水流作用下发生弯曲的程度为:平面单叶>簇生草状>分枝带叶。

关键词：明渠水流柔性植被复杂形态水流结构阻力特性

淹没柔性植被河道阻力系数特性及计算方法研究

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中国农村水利水电 2023年第6期 128-132,137页

作者：赵汗青王伟杰赵彦芳冯达骞李今今徐宇轩中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院北京100038 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心江苏南京210024 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 河北工程大学水利学院河北邯郸056000 华北水利水电大学水利学院河南郑州450045

植被是河流生态系统中重要的组成部分,在河流生态修复、河道形态演变和水资源可持续利用中发挥重要的作用,但水生植被的存在也会改变河道水流的运动形态,降低水流流速。柔性植被在水流的作用下会产生形态变化,使水流运动更加复杂。将柔... 详细信息

植被是河流生态系统中重要的组成部分,在河流生态修复、河道形态演变和水资源可持续利用中发挥重要的作用,但水生植被的存在也会改变河道水流的运动形态,降低水流流速。柔性植被在水流的作用下会产生形态变化,使水流运动更加复杂。将柔性植被的形变因素加入到经典达西-魏斯巴赫阻力方程,利用最大差异性算法对试验数据进行筛选分类,通过遗传算法确定出淹没柔性植被阻力系数的表达式,基于达西-魏斯巴赫阻力系数与曼宁系数的转换关系得出曼宁系数表达式。结果表明:提出的达西-魏斯巴赫阻力系数公式和曼宁系数公式具有相对简明的表达形式,能应用于不同水深、不同植被密度、不同植被高度等条件下的淹没柔性植被河道阻力系数计算,研究成果可为植被化生态河道设计提供理论依据。

关键词：柔性植被明渠流动阻力系数最大差异性算法遗传算法

规则波与同向水流环境中柔性植被消浪数值模拟

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规则波与同向水流环境中柔性植被消浪数值模拟

作者：李梦琦东南大学

学位级别：硕士

基于自然的解决方案与生态文明建设对我国海岸防灾减灾工作提出了更高要求。植被消浪因其具有护岸功能与生态效益,成为海岸工程的前沿课题。现有植被消浪数值模拟研究多集中于线性波浪单独作用和刚性植被情况。而实际海岸中波浪与水流... 详细信息

基于自然的解决方案与生态文明建设对我国海岸防灾减灾工作提出了更高要求。植被消浪因其具有护岸功能与生态效益,成为海岸工程的前沿课题。现有植被消浪数值模拟研究多集中于线性波浪单独作用和刚性植被情况。而实际海岸中波浪与水流是共同存在的,且柔性植被的运动较刚性植被更为复杂。因此,为提高我国海洋防灾减灾能力和海岸生态环境修复治理水平,有必要深入认识波流对柔性植被动力特性的作用机理以及波流共同作用下海岸柔性植被水域中波浪衰减机制,并探索基于数值模拟的量化分析方法。本文从微观和宏观两种不同的尺度开展了波流共同作用下柔性植被消浪的数值模拟研究,提出了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪模拟方法,论证了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪模拟方法的可靠性,阐明了波流共同作用下柔性植被动力特性,揭示了波流共同作用下柔性植被消浪规律。研究成果论证了水流作用对柔性植被运动与消浪的重要性,完善了植被消浪模拟理论及方法,拓宽了植被消浪数值模型的适用范围,提高了对海岸柔性植被消浪的认识。本文研究的主要内容和结论如下:（1）介绍了现有波浪作用下淹没柔性植被动力与消浪数值模型,提出了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪模拟方法,修改了模型驱动条件,拓宽了现有植被消浪数值模型的应用范围,实现了波流共同作用下柔性植被动力与消浪数值模拟。（2）建立了规则波与同向水流环境中淹没柔性植被动力与消浪数值模型,验证了所建模型复演单根植被摇摆运动、群体植被水域波高沿程分布和波浪衰减系数的能力,论证了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪数值模拟方法的可靠性,拟合了波流共同作用下柔性植被拖曳力系数计算公式。（3）揭示了规则波与同向水流环境中单根淹没柔性植被的动力特性。在本文模拟参数范围内,当波浪特征波速较小时,植被最大水平力和顶端最大水平位移均与邱卡数KC、流速比U /U、柯西数Ca、雷诺数Re和Ca L先呈负相关,后呈正相关;随着波浪特征波速的增加,植被最大水平力和顶端最大水平位移与上述无量纲常数均呈显著正相关。植被顶端摆幅与选取无量纲常数呈负相关。植被顶端摆幅和最大水平位移在恒定流流速取值范围内的变化幅度与叶片长度之比L也呈负相关。同时也探讨了各无量纲常数的影响机理。（4）探讨了规则波与同向水流环境中柔性植被消浪规律。在本文模拟的参数范围内,当恒定流流速较小时,随着恒定流流速的增加,波浪在柔性植被水域中的衰减先略微减弱后增强,与水深呈负相关,而与波高呈正相关;随着恒定流流速的持续增加,柔性植被消浪无明显规律。同时也结合植被动力特性探讨了各因素的影响机理。

关键词：柔性植被植被消浪波流共同作用数值模拟

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柔性淹没植被的排列方式对水流特性的影响

华中科技大学学报（自然科学版） 2020年第3期48卷 127-132页

作者：樊新建雷鹏王成刘光耀兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050

采用塑料草模拟河道中的柔性淹没植被,通过室内高精度水槽试验,用三维声学多普勒流速仪对同种淹没度、不同排列方式下柔性淹没植被的水流特性进行测量研究,得到柔性淹没植被时均纵向流速、垂向紊动强度、雷诺应力沿相对水深的分布特征.... 详细信息

采用塑料草模拟河道中的柔性淹没植被,通过室内高精度水槽试验,用三维声学多普勒流速仪对同种淹没度、不同排列方式下柔性淹没植被的水流特性进行测量研究,得到柔性淹没植被时均纵向流速、垂向紊动强度、雷诺应力沿相对水深的分布特征.结果表明:在植被层外部,两种排列方式下时均纵向流速符合"J"形分布,垂向紊动强度、雷诺应力呈递增趋势,近似线性分布;在植被层内部,梅花形排列方式下阻水效应及雷诺应力较之矩形排列明显,矩形排列方式下垂向紊动强度较之梅花形排列剧烈.

关键词：植被排列方式柔性植被流速分布紊动强度雷诺应力

坡面柔性植被阻水效应及其局部水头损失特性试验研究

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四川大学学报（工程科学版） 2013年第2期45卷 22-27页

作者：王协康刘同宦叶龙易子靖黄尔刘兴年四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室四川成都610065 长江科学院河流研究所湖北武汉430010

基于系列坡面流试验,研究了柔性植被条件对坡面流水动力特性的影响。结果表明:由于植被阻水及水流混掺效应,不同区域的水流阻力产生机理存在着显著差异,在植被尾部和水跃段区域,局部水头损失系数与单宽流量的关系分别表现二次曲线特征... 详细信息

基于系列坡面流试验,研究了柔性植被条件对坡面流水动力特性的影响。结果表明:由于植被阻水及水流混掺效应,不同区域的水流阻力产生机理存在着显著差异,在植被尾部和水跃段区域,局部水头损失系数与单宽流量的关系分别表现二次曲线特征及指数衰减趋势。此外,基于本试验的植被条件排列方式,以染色法测试坡面流表面流速,得出坡面流平均流速的修正系数约为α=0.23±0.02。

关键词：坡面流柔性植被水流阻力局部水头损失

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规则波因素变化对柔性植被岸滩演变的影响

中国水运（下半月） 2022年第1期22卷 79-81页

作者：吴世双白昊宇温泽轩姚喜问吴环宇徐宿东东南大学交通学院江苏南京211189 南通市港航事业发展中心江苏南通226006

柔性植被广泛分布于海岸带与内河河岸,其具有良好的消浪效果,十分适合作为生态护岸材料,因此研究在该植被存在时波浪作用下岸滩冲淤演变规律的影响具有重要意义。本文针对规则波作用下对柔性植被沙质岸滩变化的影响,通过物理模型实验,... 详细信息

柔性植被广泛分布于海岸带与内河河岸,其具有良好的消浪效果,十分适合作为生态护岸材料,因此研究在该植被存在时波浪作用下岸滩冲淤演变规律的影响具有重要意义。本文针对规则波作用下对柔性植被沙质岸滩变化的影响,通过物理模型实验,得到不同水深条件、波高、周期等波浪要素情况下岸滩冲淤的模拟结果。实验结果表明,改变水深、波高、波周期对岸滩剖面变化均有影响。其中,槽—坝位置分别随着水深增加、波高减小趋向岸侧迁移,滩肩高度分别随着波高减小、波周期增大而变高。

关键词：规则波柔性植被物理模型岸滩演变

柔性植被与刚性植被覆盖下坡面流阻力特性研究

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中国农村水利水电 2012年第9期 51-54页

作者：钟强雷孝章任海若邓雯文曾赟四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室成都610065 四川农业大学信息工程技术学院四川雅安625014

主要讨论植被覆盖下的坡面流水力学特征,特别是阻力特征,并比较柔性植被和刚性植被对阻力影响的不同之处,系统地研究了坡面流阻力系数与单宽流量、雷诺数、覆盖度、坡度的关系。研究结果表明:柔性植被覆盖下的坡面流阻力系数随单宽流量... 详细信息

主要讨论植被覆盖下的坡面流水力学特征,特别是阻力特征,并比较柔性植被和刚性植被对阻力影响的不同之处,系统地研究了坡面流阻力系数与单宽流量、雷诺数、覆盖度、坡度的关系。研究结果表明:柔性植被覆盖下的坡面流阻力系数随单宽流量变化不显著,但随着坡度的增大,阻力系数是减小的,大坡度小覆盖度下的坡面流阻力系数和雷诺数呈现负相关关系,同时植被覆盖度越大坡面流阻力系数也越大。而刚性植被覆盖下的坡面流阻力系数和坡面单宽流量呈现良好的正向幂函数关系,同雷诺数、植被覆盖度也都有明显的正比关系,同坡度的变化关系和柔性植被覆盖相似,并且刚性植被覆盖下的阻力系数在同等其他条件下明显大于柔性植被覆盖下的阻力系数。

关键词：坡面流柔性植被刚性植被阻力系数覆盖度