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植被对明渠紊流结构及床面冲淤影响的大涡模拟研究

植被对明渠紊流结构及床面冲淤影响的大涡模拟研究

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作者：张炳昌天津大学

学位级别：硕士

水生植被广泛存在于自然界水环境中,对水资源保护、水路运输、防洪排涝、河床演变等具有重要意义。本文通过一系列三维大涡模拟,分别研究了大范围植被群和贴岸植被簇对水动力结构和床面形态的影响。主要工作及结论如下:（1）研究由倾斜... 详细信息

水生植被广泛存在于自然界水环境中,对水资源保护、水路运输、防洪排涝、河床演变等具有重要意义。本文通过一系列三维大涡模拟,分别研究了大范围植被群和贴岸植被簇对水动力结构和床面形态的影响。主要工作及结论如下:（1）研究由倾斜植被单元组成的淹没均布植被群对时均水流结构的影响,结果表明,淹没植被发生倾斜后,植被单元尾流中垂向流速显著增大,约为直立状态时的2～3倍。淹没植被倾斜后,植被群顶端K-H大涡在入侵深度显著增大,增幅约为50.1%。在植被密度不变的情况下,K-H涡周期和尺度受植被形态较小。（2）在淹没植被群内部,当植被单元上游侧出现明显冲刷坑后,顺流向流速平均剖面形态由“J”型变为“S”型;植被存在时,明渠沙质床面临界起动切应力明显减小,约为无植被情况下的1/2;植被群内部沙质床面形态在床面切应力较高时存在“动床平整”现象。（3）在非淹没贴岸挺水植被簇尾流中,顺流向时均流速先减小后增大,流速最小值位置和植被簇下游侧面之间区域由植被单元尺度紊动主导,该区域中雷诺应力约为0,近床面紊动能较小;在流速最小值位置的下游区域,水流结构由植被簇尺度的大涡结构主导,雷诺应力绝对值较大,近床面紊动能明显增大。（4）当植被簇尺度一定时,沙质床面冲刷形态主要具有如下特征:（1）植被簇前沿通常存在较为明显的冲刷,在前沿冲刷区域下游侧通常为淤积域;在植被簇下游侧,基本不存在冲刷。（2）明渠宽深比和植被密度可显著影响床面冲刷分布特征。其中,明渠宽深比可通过影响植被簇上游的来流强度,进而决定植被簇周围床面冲刷形态。

关键词：大涡模拟弯曲植被植被簇推移质输沙床面变形

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