CN111274745B

CN111274745B - 一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法

Info

Publication number: CN111274745B
Application number: CN202010071056.1A
Authority: CN
Inventors: 闫静; 赵汗青; 唐洪武; 唐立模; 王晓丽; 郑金雨
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: CN111274745A

Abstract

本发明公开了一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，利用圆柱铝棒，在变坡循环水槽中模拟含淹没植物的明渠流动；通过改变水深(相对淹没度)、断面平均流速、植物排列间距进行正交试验，对比紊动能生成率与耗散率沿垂向分布，从而确定水流结构发生变化的临界高度h_p。结合试验数据分析，采用最小二乘法，建立h_p与T(雷诺应力梯度沿垂向发生突变的高度)、D(理论床面高度)之间的关系式，即h_p＝0.38T+0.62D(R²＝0.89)。本发明提出分界高度的确定思路和计算关系式，有助于实现精细化河流模拟，并为生态河道的建设、管理提供技术支持。

Description

一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法

技术领域

本发明涉及环境水力学技术领域，具体涉及一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法。

背景技术：

植物广泛存在于平原河流及城市景观河道中，影响河道过流、水质净化、河床冲淤以及水生物多样性。当植物处于淹没状态时，植物层内外的流速存在较大差异，导致植物顶部发生剧烈的水流剪切，诱发Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性作用，并产生相应的涡结构，即KH涡。KH涡向植物层渗透至z＝h_p高度，将植物层流动分解为上部植物层(h_p<z<h)和下部植物层(0<z<h_p)两个部分。上部植物层以KH涡运动为主要特征，对应水流紊动强、污染物扩散快、溶解氧及营养性物质含量高，是鱼类的活动场；下部植物层以绕流尾涡运动为主要特征，对应水流运动相对缓慢、水体自净能力差、溶解氧含量较低，分布着一定数量的节肢、软体动物。由此可见，分界高度h_p的确定，对河道行洪能力预测和自净能力评估，以及水生物多样性维持等均具有重要意义。目前，尚未存在有效的h_p确定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，以解决现有技术中导致的植物层内部水流分界高度无法快速准确确定的缺陷。

一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，所述方法包括如下步骤：

改变预构建的模型中植物层的环境因素，并进行试验；

根据试验结果计算得到水流分界高度值；

计算获取特征高度值；

根据特征高度值与水流分界高度值确定求解关系式。

进一步的，所述模型的构建方法包括如下步骤：

通过搭建玻璃水槽模拟河道；

通过在所述水槽中设置若干圆柱形铝棒模拟植物；

通过设置可循环的水模拟水流。

进一步的，所述环境因素包括淹没度、断面平均流速以及植物横向排列间距中的一种或多种。

进一步的，根据试验结果计算得到水流分界高度值的方法包括如下步骤：

计算并绘制紊动能生成率G和紊动能耗散率ε沿垂向分布曲线；

两条曲线在植物层内部的交点，对应流动分界高度h_p。

进一步的，所述特征高度值的获取方法包括如下步骤：

绘制雷诺应力

沿垂向分布曲线，确定特征高度R；

绘制雷诺应力梯度

沿垂向分布曲线，确定特征高度T；

特征高度W的计算方法如下：

其中，h为植物高度；λ为植物密度；λ＝d_vh/(S_xS_y)；d_v为植物杆径；S_x、S_y分别为相邻植物沿纵、横向排列间距；

特征高度D的计算方法如下：

特征高度J的计算方法如下：

J＝2D-h；

其中，R高度处的雷诺应力等于雷诺应力沿垂向分布的最大值的10％；T高度对应雷诺应力梯度沿垂向发生突变；W对应与植物密度成反比；D对应理论床面高度；J高度对应与理论床面之间的距离，等于理论床面与植物顶部之间的距离。

进一步的，根据特征高度确定水流分界高度的方法包括如下步骤：

改变环境因素，分析水流分界高度值与特征高度值之间的相对关系；

采用最小二乘法建立水流分界高度值与特征高度值之间的关系式。

进一步的，所述水槽为可变坡度的水槽。

进一步的，所述水槽与所述圆柱形铝棒中外接流速感应器ADV。

本发明的优点在于：该种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，从紊动能角度分析涡结构作用，其空间范围本质取决于紊动能生成率与耗散率的相对分布；即，涡的作用边界对应能量平衡的临界位置；基于能量平衡的h_p确定思路，具有理论性强、准确度高的优点；

综合淹没度、流速、植物排列条件的变化，通过理论分析与最小二乘法，提出h_p的计算公式，即h_p＝0.38T+0.62D；在保证精度的前提下，能够快速估算流动分界高度，有助于实现精细化河流模拟，并为生态河道的建设、管理提供技术支持。

附图说明

图1是含淹没植物明渠的紊流结构及水流分界示意图。

图2是水槽系统及测点布置示意图。

图3是特征高度(R、T、Z、D、J)与h_p试验值的对比图。

图4是h_p计算值与试验值的对比图。

其中：1-整个植物层，2-上部植物层，3-下部植物层，4-KH涡，5-尾涡，6-模拟植物，7-上游进水管，8-变频泵，9-电磁流量计，10-平水井，11-水流矫直机，12-ADV量测系统，13-水槽尾门，14-升降螺杆。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图4所示，一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，所述方法包括如下步骤：

改变预构建的模型中植物层的环境因素，并进行试验；

根据试验结果计算得到水流分界高度值；

计算获取特征高度值；

根据特征高度值与水流分界高度值确定求解关系式。

在本实施例中，所述模型的构建方法包括如下步骤：

通过搭建玻璃水槽模拟河道；

通过在所述水槽中设置若干圆柱形铝棒模拟植物；

通过设置可循环的水模拟水流。

在本实施例中，所述环境因素包括淹没度、断面平均流速以及植物横向排列间距中的一种或多种。

在本实施例中，根据试验结果计算得到水流分界高度值的方法包括如下步骤：

两条曲线在植物层内部的交点，对应流动分界高度h_p。

在本实施例中，所述特征高度值的获取方法包括如下步骤：

绘制雷诺应力

沿垂向分布曲线，确定特征高度R；

绘制雷诺应力梯度

沿垂向分布曲线，确定特征高度T；

特征高度W的计算方法如下：

特征高度D的计算方法如下：

特征高度J的计算方法如下：

J＝2D-h；

在本实施例中，根据特征高度确定水流分界高度的方法包括如下步骤：

采用最小二乘法建立水流分界高度h_p与流动特征高度T、D之间的关系式，即h_p的简化算法：h_p＝0.38T+0.62D。

在本实施例中，所述水槽为可变坡度的水槽。

在本实施例中，所述水槽与所述圆柱形铝棒中外接流速感应器ADV。

以下通过实施例进一步说明：

本实施例的模型试验装置如图2所示，为长12m、宽0.6m、高0.6m的可变坡水槽，其上、下游均连接水库以形成流动自循环。利用长h＝6cm，直径d_v＝0.6cm的圆柱铝棒6模拟植物，并对齐排列，形成长8m、宽0.6m的植物群(距离水槽进出口均为2m)。水槽的上游进水管7布置有变频泵8和电磁流量计9(精度±0.001L/s)，保证持续、恒定的来流量Q；经由平水井10及水流矫直机11连接水槽，以削弱来流紊动，起到平顺水流的作用。在水槽中部，利用ADV12，沿两条典型垂线A、B测量流速，并将相同高度处的流速数据做均值化处理，以反映整体流动状态。水槽尾部设有尾门13以连接水库，调整尾门开度，即可改变槽内水深H。实验开始之前，通过升降螺杆14调整水槽底部坡降，以创造均匀流条件。均匀流的判断标准即水深沿程不变，可通过水槽玻璃边壁上间隔1m布置、精度为0.5mm的水准尺进行观测。

依据雷诺应力

沿垂向分布，对特征高度R、T、W、D、J进行计算。相应计算方法如下：

局部雷诺应力等于其沿垂向分布最大值的10％的位置，对应特征高度R；

雷诺应力梯度沿垂向发生突变的位置，对应特征高度T；

特征高度W的计算方法如下，

特征高度D的计算方法如下，

特征高度J的计算方法如下，

J＝2D-h (3)

通过能量平衡进行水流分界，关键在于确定紊动能生成率G和紊动能耗散率ε沿垂向分布。两者相等的位置即对应h_p高度。G的计算公式如下：

其中，

反映雷诺应力的大小，U为W高度处的水流流速，

即流速沿垂向梯度，可通过差分相邻测点的流速数据求得。

进一步，对实测流速数据做快速傅里叶变换，可获得能谱密度F(f)与紊动频率f之间的关系。基于kolmogorov’s-5/3指数定律，紊动能耗散率ε可通过下式求解，

F(f)＝0.5·ε^2/3·f^-1·(2πf/U_C)^-2/3 (5)

其中，涡旋运动速度U_C约等于1.5倍局部流速U，即U_C＝1.5U。

在此基础上，改变淹没度H/h、断面平均流速U_m、植物横向排列间距S_y，进行正交试验。其中，植物高度h＝6cm，植物纵向间距S_x＝5cm保持不变，通过调整水深H改变淹没度H/h。结合天然河流情况，实验设计H＝12、18、30、36cm，U_m＝10、20、30cm/s，横向间距S_y＝1、2、4cm，共进行9组试验(见表1)。

对比不同工况条件下，h_p与各特征高度之间的相对变化。结果表明：R、W、J的确定方法，均依赖于一定的假设或经验系数，对应与h_p值偏差较大：相比之下，T和D具有比较明确的物理概念，其值与h_p也相对接近(图3)。

鉴于T和D的计算方法相对简单，而基于紊动能平衡的h_p求解过程复杂，可通过T和D近似估算h_p值。

进一步发现，h_p值普遍介于T和D之间(图4)。本发明从量纲和谐的角度出发，通过实验数据拟合，试图建立如下关系，以提高h_p的计算精度：

h_p＝a·T+(1-a)·D (6)

其中，a为某一常数。

最小二乘法拟合的结果表明，a＝0.38(R²＝0.89)(图4)。

综上，式(6)可用于计算不同淹没度H/h、断面平均流速、植物排列间距S_y条件下，植物层内部的水流分界高度h_p。

表1

H(cm)	U<sub>m</sub>(cm/s)	S<sub>x</sub>(cm)	S<sub>y</sub>(cm)	h<sub>p</sub>(cm)	R(cm)	T(cm)	Z(cm)	J(cm)	D(cm)
										18	30	5	4	37	9	39	0	14.4	37.2
12	20	5	2	41	21	37	25.2	19	39.5
										18	30	5	2	39	21	37	25.2	23.3	41.7
18	20	5	2	41	20	41	25.2	22.8	41.4
										18	10	5	2	41	20	39	25.2	20.4	40.2
30	30	5	2	39	21	38	25.2	25.2	42.6
										36	30	5	2	41	18	39	25.2	23.8	41.9
18	30	5	1	47	43	43	42.6	33.9	46.9
										30	30	5	1	45	41	41	42.6	36.4	48.2

说明：由于水槽条件的限制，不能创造低水深、高流速的实验条件。在H＝12cm工况下，断面平均流速U_m所能达到的最大值为20cm/s。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

改变预构建的模型中植物层的环境因素，并进行试验；

根据试验结果计算得到水流分界高度值；

计算获取特征高度值；

根据特征高度值与水流分界高度值确定求解关系式；

其中，所述特征高度值的获取方法包括如下步骤：

绘制雷诺应力

沿垂向分布曲线，确定特征高度R；

绘制雷诺应力梯度

沿垂向分布曲线，确定特征高度T；

特征高度W的计算方法如下：

特征高度D的计算方法如下：

其中，z表示z轴，即高度；

特征高度J的计算方法如下：

J＝2D-h；

2.根据权利要求1所述的一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，其特征在于：所述模型的构建方法包括如下步骤：

通过搭建玻璃水槽模拟河道；

通过在所述水槽中设置若干圆柱形铝棒模拟植物；

通过设置可循环的水模拟水流。

3.根据权利要求1所述的一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，其特征在于：所述环境因素包括淹没度、断面平均流速以及植物横向排列间距中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，其特征在于：根据试验结果计算得到水流分界高度值的方法包括如下步骤：

两条曲线在植物层内部的交点，对应流动分界高度h_p。

5.根据权利要求1所述的一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，其特征在于：根据特征高度确定水流分界高度的方法包括如下步骤：

6.根据权利要求2所述的一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，其特征在于：所述水槽为可变坡度的水槽。

7.根据权利要求2所述的一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，其特征在于：所述水槽与所述圆柱形铝棒中外接流速感应器ADV。