定床阻力坡面薄層水流水力特性研究.pdf

1、坡面薄層流是土壤侵蝕過程的主要動力，其水力特性是研究侵蝕規(guī)律的基礎，但因其流動受自然條件下不規(guī)則地形的影響、降雨的擾動以及試驗設備技術使用等外界條件的限制，導致其水力條件復雜，試驗研究困難重重，已有結(jié)論也存疑頗多。因此，本文在前人研究的基礎上，采用新方法對其進行進一步探索和研究。
　　本文采用計算機數(shù)值模擬及水工模型試驗兩種方法相結(jié)合的方式，探索和研究坡面薄層流水力學特性各水力參數(shù)的變化規(guī)律。同時以數(shù)值模擬數(shù)據(jù)作為試驗尺寸及測量距

2、離設計的參考依據(jù)，通過水工模型試驗，試圖得到判別和反映坡面薄層流流態(tài)界定的新方法。
　　FLUENT計算機模擬作為該課題研究的一種新的探索方式，根據(jù)坡面薄層流不同的下墊面條件，忽略降雨等外界條件干擾，以定床阻力水工模型試驗為思路進行邊界條件設置，采用VOF方法對坡面薄層流進行自由表面追蹤，結(jié)合標準k-ε紊流模型模擬了水、氣兩相流在不同粗糙度床面條件下各水力學特性參數(shù)的的變化規(guī)律。
　　該模擬軟件能夠精確計算坡面薄層流平均速度

3、，且通過XY分析圖得知水流沿定床長度方向流速穩(wěn)定的時間只有幾秒鐘，而水流速度的穩(wěn)定距離則隨著流量的減小而減小，當平均流速為1.5m/s時，穩(wěn)定距離為3.5m。以上測量數(shù)據(jù)是試驗模型尺寸設計及流速測量距離確定的依據(jù)。
　　通過數(shù)值模擬定床阻力試驗得出，同流量、相同床面粗糙度狀況下，隨著坡度的增大，水流平均速度、雷諾數(shù)Re、傅汝德數(shù)Fr以及阻力系數(shù)λ均有小幅度增大趨勢，這表明隨著坡度的增加，坡面流流態(tài)更趨向于阻力平方區(qū)。當床面坡度、流

4、量相同而表面粗糙度不同時，隨著床面凸起度的增大，阻力系數(shù)λ增大，水流消耗的能量也隨之增大，水流速度、雷諾數(shù)減小，水流有從急流變?yōu)榫徚鞯内厔荨Ｒ陨辖Y(jié)論均與已有文獻結(jié)論一致，證實了該模擬方法的可行性，通過比較驗證得出表面張力在坡面薄層流中的重要性，同時為流態(tài)判別及表面張力定量描述的進一步研究提供了新思路。
　　模型試驗應用明渠流理論對坡面薄層流進行簡化處理，模擬雷諾試驗，進行定床阻力放水試驗，得出相同床面狀況下，隨著流量的增大，平均流

5、速、水深均隨著流量的增大呈增大趨勢，但隨著坡度的增大二者均無明顯變化，因此在表達上均可近似認為二者僅為流量的函數(shù)，且呈較好的冪函數(shù)關系。隨著流量的增大，雷諾數(shù)Re、弗汝德數(shù)Fr均亦與流量呈正勢發(fā)展，但與坡度的關系依然不明顯，而阻力系數(shù)λ隨著流量的增大而減小，但隨著坡度的增大而增大，意味著水流隨著坡度的增大能量消耗也愈大。
　　通過模擬雷諾試驗測得，坡面薄層流平均流速與表面流速之比α隨流量大小及坡度變化均有不同的取值，測得坡面薄層流