彎曲河流擬序擾動的邊界效應及其非線性動力理論研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、彎曲河流作為一個非線性系統(tǒng),壓力梯度和邊界引起的離心力可看作外在驅動。系統(tǒng)的非線性特征使得河流不僅呈現(xiàn)驅動力對應的特征,還會呈現(xiàn)河流自身的固有特征,以及由二者相互作用產(chǎn)生的新特征,比如共振現(xiàn)象、分岔混沌等。
  擬序擾動對邊界特征的響應是彎曲河流的固有特征。河道水流內(nèi)部存在一種大尺度的擬序結構,這種水流結構是塑造河流平面形態(tài)的主要動力,形態(tài)的起伏會影響水流內(nèi)部的擬序結構,擬序結構又進一步塑造河流形態(tài)。因此,本文認為使擬序擾動最穩(wěn)定

2、的平面形態(tài)即為河流的穩(wěn)定平面形態(tài)。通過計算分析,我們發(fā)現(xiàn)當邊界波數(shù)為0.39-0.41時擬序擾動最穩(wěn)定,其對應的平面形態(tài)與Leopold and Wolman,Yalin、Julien等人的統(tǒng)計結果很相近。
  邊界直接導致的水動力和地形特征的力學實質是河流系統(tǒng)的受迫振動。本文采用攝動方法,得到了彎曲河流全域動平衡下的弱非線性攝動解,各物理量均可由三個基本函數(shù)族組合而成,及縱向分布基本函數(shù)族ri(s)、橫向分布基本函數(shù)族gj(n)

3、、垂向分布基本函數(shù)族fk(ξ)。根據(jù)縱向分布基本函數(shù)族的不同特征,可將攝動解分為線性同步部分、線性相位差部分和非線性耗散部分。前兩部分為色散項(rDp)僅使得河段物理量重分布,并不改變河段的整體特征量;非線性耗散部分(rDs),是河流平面形態(tài)阻力(彎曲阻力和伸縮阻力)產(chǎn)生的內(nèi)在機理,使得河段產(chǎn)生附加坡降和阻力。因此,河道的平面形狀彎曲、伸縮也是一種阻力。
  岸線擺動對強彎水流呈現(xiàn)明顯的時空特征影響很大,彎頂斷面分別在靠近凹岸上部

4、和凸岸下部形成兩個大的環(huán)流,二者分別由Naot, Rodi(1982)的凹岸上環(huán)流和凸岸下環(huán)流經(jīng)彎曲作用發(fā)展而來。相鄰兩彎環(huán)流對強弱的相互轉換,使得曲率為零的過渡斷面附近流場急劇變化,流體微團發(fā)生急劇的旋轉、變形。槽壁擺動引起瞬時水流不僅空間分布不均,在長時間尺度上也呈現(xiàn)波動變化。近水面處主要受水面波動的影響,高于1 Hz的高頻部分即進入Kolmogorov-5/3衰減區(qū),而近底處水流紊動主要受條帶結構的影響,需要在更高的頻段才能進入K

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