非淹沒圓柱群局部水流場特征分析.pdf

1、水生植物是天然河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植被群落為水中生物提供食物來源和棲居場所，使得水體成為具有生命活力的水生生態(tài)環(huán)境，從而保存了水生環(huán)境的生物多樣性。水生植物在改善水流環(huán)境，維持生物多樣性和河床穩(wěn)定的同時(shí)，也增加了水流阻力，增強(qiáng)了水流能量的消耗，降低了河流的流速，提高了河流水位，降低了河道的行洪能力，增加了洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。植物水流讓流體力學(xué)和生態(tài)學(xué)這兩個(gè)本來毫無關(guān)系的學(xué)科密切聯(lián)系在一起，成為了當(dāng)下環(huán)境流體力學(xué)的一個(gè)焦點(diǎn)問題，對(duì)于該

2、問題的探究具有非常重要的工程意義。
　　因此本文在全面且系統(tǒng)地回顧和總結(jié)了該領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀之后，選用剛性圓柱作為數(shù)值物理模型，基于帶自由表面水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，采用雙方程k-ω的剪切應(yīng)力輸運(yùn)（SST）湍流模式，對(duì)非淹沒剛性圓柱群水流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性及模擬精度。通過圓柱群繞流場特征的模擬分析，探究了不同圓柱雷諾數(shù)和圓柱群密度條件下柱群后尾流區(qū)剪切層長度、柱群內(nèi)剪切層滲入長度、雷諾應(yīng)力、湍

3、動(dòng)能以及床面應(yīng)力空間分布特征。具體研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)本文基于橫縱向時(shí)均流速分布分析了不同柱群密度和固體體積分?jǐn)?shù)下柱群兩側(cè)剪切層長度、滲入長度和剪切層沿程寬度的變化趨勢，明確了三者隨Red和φ的變化趨勢。
　　(2)通過對(duì)無量綱床面應(yīng)力進(jìn)行分析，探究了柱群存在時(shí)對(duì)床面泥沙的影響。
　　(3)本文給出了柱群內(nèi)部和尾跡區(qū)的瞬時(shí)渦量場和速度云圖，分析了瞬時(shí)場流場結(jié)構(gòu)。根據(jù)時(shí)間平均脈動(dòng)流速探究了柱群內(nèi)部和尾跡