一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法技术

本发明专利技术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

A method to determine the boundary height of water flow in submerged plant layer

【技术实现步骤摘要】
一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法
本专利技术涉及环境水力学
，具体涉及一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法。
技术介绍
：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＝hp高度，将植物层流动分解为上部植物层(hp<z<h)和下部植物层(0<z<hp)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hp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hp确定方法。
技术实现思路
本专利技术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hp。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＝dvh/(SxSy)；dv为植物杆径；Sx、Sy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。本专利技术的优点在于：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hp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hp的计算公式，即hp＝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hp试验值的对比图。图4是hp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专利技术实现的技术手段、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，进一步阐述本专利技术。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：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hp。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：其中，h为植物高度；λ为植物密度；λ＝dvh/(SxSy)；dv为植物杆径；Sx、Sy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。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：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hp与流动特征高度T、D之间的关系式，即hp的简化算法：hp＝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dv＝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)，保本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n改变预构建的模型中植物层的环境因素，并进行试验；/n根据试验结果计算得到水流分界高度值；/n计算获取特征高度值；/n根据特征高度值与水流分界高度值确定求解关系式。/n

【技术特征摘要】
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。


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：
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hp。


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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫静，赵汗青，唐洪武，唐立模，王晓丽，郑金雨，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32