【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水力学及河流动力学领域，一种双层刚性植被明渠水流的流速分布模拟模型。
技术介绍
1、水生植被是河流生态系统与河岸之间的生态缓冲带，是自然河流系统的普遍特征，在河流系统中起着关键作用。天然河流中，水生植被高度并不统一，往往存在两种及两种以上的高度分层，在影响水流动力条件的同时，有利于其生态功能的发挥。目前，大多数研究关注于植株高度统一的单层植被水流，对于双层植被水流或多层植被水流的研究较少，且大多集中在流速、雷诺应力和湍流强度垂向或纵向的变化规律上。水流流速及其垂线分布作为明渠水流运动特性的基本指标，只有少数研究关注用公式来描述、模拟多层植被布置下的流速剖面。而双层刚性植被水流水动力特性的研究作为含多层植被水流的基础，如何用公式准确、科学地模拟其流速分布是自然河道流速分布研究的一个重要方向。
2、在现有的研究专利技术中，流速模型的构建主要有解析解和数值解两种方法。含双层植被水流流速分布的解析解模型较少且需要确定的参数较多，实际应用时较复杂；但数值解模型虽然能较为准确地预测水流的流速分布，但是其计算量大、耗时较长，实用性不强。
3、因此，为了准确模拟水流流速分布情况，本专利技术以含双层刚性植被明渠水流作为研究对象，利用受力平衡原理和线性叠加的方法，结合实际水流流速分布获取参数，提出了双层刚性植被水流纵向流速的半解析解模拟模型。本专利技术中的半解析解模型符合水力学及河流动力学理论，能够在减少未知参数使用的基础上，准确、科学地对双层刚性植被明渠水流充分发展区的流速分布进行拟合，有利于未测量点位流速数
技术实现思路
1、本专利技术意在提供一种双层刚性植被明渠水流的流速分布模拟模型，该方法模型对双层植被紊流充分发展区的水流，利用受力平衡原理和线性叠加的方法，建立流速分布半解析解模型，并结合实际水流流速分布，实现对含双层刚性植被的明渠水流流速进行拟合，使双层刚性植被明渠水流流速分布的模拟结果更加精确、可靠。
2、为了达到上述目的，本专利技术的基础方案如下：一种双层刚性植被明渠水流的流速分布模拟模型，包括以下步骤：
3、步骤1：确定河床斜率j、低植被层和高植被层的植被密度m1、m2及圆柱状刚性植被杆径d，并测量双层刚性植被明渠水流充分发展区纵向流速的垂向分布；
4、步骤2：绘制纵向流速垂向分布图，确定低植被层恒速1a区的平均流速和高植被层恒速2a区的平均流速
5、步骤3：计算植被阻力系数cd，混合层b区上、下边界的水流流速并依据纵向流速垂向分布图得到混合层b区的上、下边界位置z2、z1及混合层高度δw；
6、植被阻力系数cd：
7、
8、式中，λ1＝m1d2π/4为淹没植被层在水流中的固体体积分数；λ2＝m2d2π/4为非淹没高植被层在水流中的固体体积分数，i为明渠水流的能量斜率，等于河床斜率j；
9、混合层b区的上下边界点通过边界流速进行界定，下边界z1、上边界z2的水流流速分别为：
10、
11、
12、其中，和分别为低植被层恒速1a区的平均流速和高植被层恒速2a区的平均流速；
13、步骤4：利用植被阻力系数cd，混合层b区的上、下边界位置z2、z1及混合层高度δw，对植被水流进行受力分析，从而解出低植被层恒速1a区和混合层b区的流速分布公式u1a,b和高植被层恒速2a区流速分布公式u2a，得到双层刚性植被明渠水流流速分布的模拟模型：
14、
15、进一步，步骤4中，双层刚性植被明渠水流流速分布的模拟模型通过以下公式进行推导：
16、在植被区内，植被阻力fd：
17、
18、其中，ρ是水的密度，cd是植被阻力系数，m是相应植被层的植被密度，d是圆柱状植株茎秆的直径，u是平均流速；
19、在低植被层恒速1a区，忽略剪切层影响，单位微元水体dx所受的力学平衡公式，由水的重力项、植被阻力项、水槽床面摩擦项和水槽侧壁摩擦项四个部分组成：
20、
21、其中，uud1是1a区深度时均流速，τbed＝0.125ρu2fbed是床面剪切应力，τwall＝0.125ρu2fwall是侧壁剪切应力，fbed和fwall分别是床面和侧壁的粗糙度参数；
22、在高植被层2a区，假设不受剪切涡的影响，且忽略水槽床面所产生的摩擦力，单位微元水体dx所受的力学平衡公式由自身重力项、植被阻力项和水槽侧壁摩擦项三个部分组成：
23、
24、其中，uud2是2a区深度时均流速；
25、由于水槽床面摩擦项τbed(1-λ1)wdx和水槽侧壁摩擦2z1τwalldx、2(h-z2)τwalldx均远小于植被所产生的阻力，可忽略不计，所以，水流受力分析分别简化为：
26、
27、
28、因此，得到1a区和2a区的恒定流速公式表达式为：
29、
30、
31、根据对水下植被混合层的研究发现，混合层b区的流速分布规律与双曲正切剖面相似，双层植被水流1a区和b区的平均速度可以表示为作用于1a区和b区的各个机制的线性叠加，机制包括：1a区内具有恒定值的均匀速度分布uud1和由kelvin-helmholtz不稳定性产生的混合层流速分布uml；
32、uml是流速关于垂向高度的双曲正切函数：
33、
34、其中，是在混合层上拐点z2的水流流速，δw是混合层的高度；
35、因此，1a区和b区的流速分布公式为：
36、
37、因此，得到双层刚性植被水流充分发展区流速分布的模拟模型：
38、
39、本专利技术的原理及有益效果：本专利技术基于水体力学平衡公式，采用前人论文中作用效果的线性叠加方法推导流速模型，严格符合水力学及河流动力学理论；
40、本专利技术在减少未知参数使用的基础上，将实际双层刚性植被明渠水流流速分布的特征参数运用到流速分布拟合模型中，模拟效果更加符合实际、准确、高效；
41、本专利技术相比于仅参考数值趋势计算流速拟合曲线的方式，既符合水力学理论，也符合实际工况，计算结果更加严谨、科学；
42、双层刚性植被明渠水流的专利技术背景更贴近实际河道的水流条件，而且众多流体力学计算软件需要将测量的流速分布拟合成公式后进行操作。本专利技术不仅有利于未测量点位流速数据的预测，而且有助于流体力学软件的快速应用。因此，本专利技术具有十分广泛的适用性。
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1.一种双层刚性植被明渠水流的流速分布模拟模型，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的双层刚性植被明渠水流的流速分布模拟模型，其特征在于：步骤4中，双层刚性植被明渠水流流速分布的模拟模型通过以下公式进行推导：
【技术特征摘要】
1.一种双层刚性植被明渠水流的流速分布模拟模型，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的双层刚...
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