含淹没柔性植物明渠水流涡动力耗散特性.pdfVIP

第勰卷增刊2 河海大学学报(自然科学版) V01．38 2 sL啊曲煳t af 2010年10月 JolⅢlalHohai Sciences) Oct．2010 University(Natural 含淹没柔性植物明渠水流涡动力耗散特性 吴福生1，一，姜树海1，一，阮仕平1，2 (1．水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098； 2．南京水利科学研究院水工水力学研究所，江苏南京210029) 摘要：从涡动力学理论出发，提出了基于能量耗散的特征拟熵的概念，分析了含植物不可压缩水流 涡动力学能量耗散机理．通过玻璃水槽试验用二维标准PW测量研究了含淹没柔性植物二维垂直 涡量场，给出了特征拟熵的分布特征．研究结果表明：流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素， 水流过植物冠层附近受到的干扰大，流速梯度大，因而涡量绝对值大，特征拟熵大，能量耗散率高． 植物冠层是造成含淹没柔性植物水流能量耗散的主要区域． 关键词：特征拟熵；涡量场；淹没柔性植物；流速梯度；能量耗散 中图分类号：Tvl33 文献标志码：A 文章编号：1000-1980(2010)S2-0∞6-04 河漫滩湿地淹没柔性植物的存在增加了对水流的阻力，降低了河道过流能力．同时，淹没植物增加了水 流的紊动掺混效应与能量耗散，对河流湿地的生态修复起重要作用．前人对河道含植物水流特性进行了很多 研究【IJ，但这方面的研究总体上还处于起步阶段，对含植物水流在理论与实践等诸多方面尚需定量深入研 究．朱红钧等【”】】对含有植物的明渠流的紊流结构进行了实验研究．但很少有人从涡动力学观点出发，引出 特征拟熵的概念，进而研究含淹没柔性植物水流的能量耗散机理。本文将河道中含植物的水流视为充分发展 了的紊流，用特定材料模拟柔性植物，在实验室玻璃水槽中进行试验研究，试验中采用二维标准PW(partiele Hz)，对淹没柔性植物段流速场及涡量场进行了测量，以研究其涡量 imagevelocimetry，其采样频率约为5一15 场分布、特征拟熵与能量的耗散特性． 1明渠流中的涡漩运动[8】 大量的研究表明，在紊流中占优势的是涡管的平均长度普遍被伸长．涡管长度被拉伸的结果会逐次地产 生更小尺度的运动．这种串级(cascade)现象是紊流的一个显著特征．从大涡到小涡到更小的涡的能量串级输 运过程，从本质上讲，是靠涡管的不断拉伸来完成的，涡管的平均伸长可以用拟熵来量度，而拟熵与能量耗散 率成正比，与该系统的熵增有关，所以涡管的线长度可看成是一类熵，具有熵的功能． 1．1涡量动力学方程 对不可压缩的明渠水流来说，其涡量动力学方程可简化为 b (1) 芈：(∞·V)y+￡，v o‘ 式中：∞——涡量；￡，——运动黏性系数；(∞·V)p一由于流场的速度梯度引起涡线的伸缩和弯曲，从而使 涡量的大小和方向都发生变化；￡，Vb——涡量的黏性扩散效应，在高雷诺数流动中，黏性扩散效应可略去不 计．因此，对于充分发展的含植物水流，其涡量场主要取决于流速梯度． 1．2涡动力引起的能量耗散与特征拟熵 用涡量表达的流体动能为 广 r(t)=ly(r×OJ)av (2) 收稿日期：2010—07—27 基金项目：南京水利科学研究院基金(Y10S00 作者简介：吴福生0963--)。男。安徽池州人．教授级高级工程师．主要从事水工水力学及环境水力学研究． 增刊2