含植物明渠水動力特性研究

前言

人類對水資源不合理的開發(fā)利用不僅導致水環(huán)境嚴重污染，而且造成洪澇災害愈加頻繁。當前，世界各國在河流的管理上強調(diào)在健康的河流生態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)人與自然的和諧的可持續(xù)發(fā)展理念。河流的修復與生態(tài)建設越來越受到政府的重視和社會的關注，開展含植物明渠水動力學研究具有重要的經(jīng)濟意義和社會意義。如何維持生態(tài)健康的河流已成為科學工作者面臨的重要問題。天然河流不僅包括無生命物質(zhì)（水流、泥沙），而且包含有生命或生物組成部分，應將天然河流視作復雜的動力系統(tǒng)，生長在河道中的植物為河流動力系統(tǒng)的基本要素之一。植物在河道中構成了水中動物的生境，同時也影響了河道中水流形態(tài)，增加了水流阻力，改變了其紊動輸運特性。含植物明渠水流的阻力機制及紊流機理非常復雜，它不僅與河道的形狀、水位及流量等有關，而且與植物的種類、韌性、密度及形狀等特性有關。含植物明渠水流的阻力特征及紊動特性的研究不僅為河流生態(tài)的修復與運行管理提供科學依據(jù)，而且對生態(tài)水力學與紊流力學的發(fā)展具有重要的理論意義。從20世紀80年代以來，美國、德國及日本等發(fā)達國家從事河流生態(tài)修復的科學家們愈來愈重視對含植物水流紊流特性這一前沿課題的研究，而我國對含植物紊流機理的研究才剛剛起步。國外研究者認為植物決定了含植物水流特性及其紊流結構，并且控制著水生物的養(yǎng)分、泥沙及污染物等的輸運規(guī)律，也是植物治污的物理基礎，這對植物修復河流生態(tài)至關重要。

內(nèi)容概要

本書采用三維超聲多普勒流速儀(ADV)、粒子圖像流速儀(標準PIV與二維高幀頻Mini—PIV)等先進的測試手段，從渦動力學的觀點出發(fā)，著重研究了含植物明渠的水流結構特性。     本書提出了從渦動力學的理論出發(fā)研究含植物明渠水流能量耗散特性，并進一步研究其紊流機理與阻力機制。以新穎的視角拓展并加深了該領域生態(tài)水力學的研究內(nèi)容，并為其進一步發(fā)展提供了新的契機。

作者簡介

吳福生，男，1963年出生，安徽池州人，工學博士，南京水利科學研究院教授級高工。1985年畢業(yè)于武漢水利電力學院，在南京水利科學研究院長期從事水工水力學、環(huán)境水力學與生態(tài)水力學的科研工作。 
    先后主持或參加科研項目30余項。主持從事的研究領域有：大中型水力發(fā)

書籍目錄

1 緒論  1.1 概述  1.2 河流植物水動力學系統(tǒng)簡介    1.2.1 天然河流植物系統(tǒng)    1.2.2 幾種常見水生植物    1.2.3 河流水生態(tài)特征及生態(tài)修復實例  1.3 含植物明渠水動力學研究進展    1.3.1 國外研究概況    1.3.2 我國目前研究狀況    1.3.3 尚待研究的問題  1.4 本書研究的主要內(nèi)容2 含植物明渠水動力特性實驗研究系統(tǒng)  2.1 變底坡玻璃水槽實驗系統(tǒng)  2.2 流速測量系統(tǒng)    2.2.1 微型OA紅外旋槳流速儀的測試原理及率定方法    2.2.2 三維聲學多普勒測速儀ADV    2.2.3 粒子圖像測速儀PIV    2.2.4 PIV的測量結果驗證  2.3 模擬植物材料的選取3 含淹沒剛、桑性植物河道水流的流速分布  3.1 流速測量試驗裝置和儀器  3.2 無植物時玻璃水槽內(nèi)明渠流速場  3.3 含淹沒剛、柔性植物明渠流流速場的測量研究    3.3.1 含柔性植物水流二維流速場分布    3.3.2 含剛性植物水流二維流速場分布  3.4 小結4 河道中含植物水流阻力特性研究  4.1 含植物明渠水流阻力特性的因素分析  4.2 含淹沒剛、柔性植物明渠水流阻力特性    4.2.1 明渠水流的基本理論    4.2.2 實驗條件    4.2.3 植物的柔韌度與水流的關系    4.2.4 含淹沒剛、柔性植物明渠水流的曼寧糙率特征  4.3 非淹沒剛性植物對明渠水流阻力特性    4.3.1 非淹沒植物段水流阻力分析    4.3.2 含非淹沒剛性植物明渠水流阻力特性的實驗研究  4.4 小結5 含淹沒剛、柔性植物明渠水流渦量場特性  5.1 渦運動理論    5.1.1 渦量動力學方程    5.1.2 渦量場的動能和能量耗散  5.2 含淹沒剛、柔性植物明渠流二維時均渦量場實驗研究    5.2.1 無植物明渠流二維渦量場    5.2.2 含淹沒柔性植物明渠流二維渦量場叫Wz分布    5.2.3 含淹沒剛性植物明渠流二維渦量場叫Wz分布    5.2.4 含淹沒剛、柔性植物明渠水流時均渦量場Wz比較  5.3 明渠含淹沒剛、柔性植物流場的能量耗散分布-特征擬熵    5.3.1 含淹沒植物水流特征擬熵分布特征    5.3.2 含淹沒植物水流特征擬熵的斷面垂線分布特征  5.4 小結6 含淹沒植物明渠水流的紊流特性與紊流擬熵  6.1 含植物明渠水流紊流及紊流擬熵的理論    6.1.1 明渠水流紊流的基本理論    6.1.2 含植物河道水流的紊動耗散-紊流擬熵  6.2 實驗設備及實驗條件    6.2.1 用ADV測量紊流的垂線分布特性    6.2.2 用高幀頻PIV測量流場的紊動特性  6.3 實驗成果及分析    6.3.1 含淹沒剛、柔性植物明渠流紊流特性    6.3.2 含淹沒剛、柔性植物河道水流的紊流擬熵  6.4 小結7 結論與展望  7.1 本書創(chuàng)新性成果與主要結論  7.2 有待進一步研究的問題參考文獻后記

章節(jié)摘錄

插圖：程莉從N-S方程出發(fā)，推導出寬淺水域沿水深積分平均的二維流動方程，用有限單元法，在時間上采用差分法離散，建立了基于有限元法的平面二維河道水流數(shù)值模型。并采用當量糙率和邊界細部模擬的處理方法，計算分析了河灘種樹對河道水流的影響。根據(jù)珠江三角洲地區(qū)河道特征和種樹情況，對河道概化并進行數(shù)值計算，計算結果與實驗資料基本吻合。1.3.3 尚待研究的問題由于植物種類繁多，形狀復雜，若要對其進行全面系統(tǒng)模擬，以滿足實驗室內(nèi)的研究要求，具有一定的難度。到目前為止，國內(nèi)外研究者僅對有限的幾種植物進行了幾何模擬，且尚未解決植物模擬的水動力相似率問題及縮尺效應問題。但從水流流經(jīng)植物的效應來看，將植物概化成剛性植物與柔性植物是合理的，開展含剛性植物與柔性植物河道水流的阻力特性與紊流特性的研究具有重要的學術價值與現(xiàn)實意義。與國外相比，我國從事這一領域的研究才剛起步，需要做的工作還很多。目前迫切需要開展對含植物水流渦量場及紊流機理的實驗研究，為水生動物的生境提供基礎，同時為解決河流生態(tài)修復問題提供依據(jù)。由于試驗測量技術的進步，目前已具備了進行這一研究的條件。曼寧糙率系數(shù)是基于恒定均勻流概念提出的。從前述國內(nèi)外研究可知，尚未嚴格按照明渠恒定均勻流條件進行含淹沒剛、柔性植物水流曼寧糙率系數(shù)n的對比研究，前述研究中所提到的大多是近似按照恒定均勻流處理得到的曼寧糙率系數(shù)的近似值。必須在變底坡水槽中，調(diào)節(jié)底坡保證均勻流的形成，才能準確實驗確定曼寧糙率系數(shù)，探尋其變化規(guī)律。目前的研究尚未定量探討柔性植物變形特性（偏轉(zhuǎn)角）與阻力系數(shù)的關系。

后記

本書是在我的博士論文《含植物明渠水動力特性研究》的基礎上拓展而成。在此要特別感謝導師姜樹海教授的悉心指導，從論文的選題、實驗研究，研究過程中學術論文寫作、投稿、發(fā)表，直至博士論文的最后定稿，每一階段、每一過程、每一細節(jié)，都傾注了導師姜教授大量心血。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、深厚的學術造詣、豐富的實踐經(jīng)驗，寬廣深厚與寧靜的內(nèi)心，都深深地影響著作者。作者在論文的寫作過程中得到了恩師的反復指導，開拓了思路，使作者感覺到創(chuàng)作的喜悅而終身受益。我在攻讀博士漫長的七年時間里，得到了全家人的支持尤其是妻子顧培英和女兒佳茜一貫的支持。衷心感謝南京水利科學研究院博士基金以及院基金“含淹沒植物河道水流紊流特性研究”項目資助，使作者的博士論文得以順利完成。衷心感謝南京水利科學研究院研究生部白虹老師、趙小妹老師對作者在攻讀博士研究生期間的關心與支持。感謝南京水利科學研究院水工水力學研究所的吳時強教授、胡亞安教授的指導與關心。感謝童中山教授、趙健鈞高工的大力支持；感謝吳修鋒高工、周杰博士的幫助；感謝謝興華博士后的幫助；感謝阮仕平博士的幫助；感謝徐增明工程師、王勇工程師以及很多同事的幫助與支持。我在完成博士論文的模型制作安裝以及實驗的調(diào)試過程中得到了陶克滿先生、王輝寧先生的大力幫助，深表感謝。

編輯推薦

《含植物明渠水動力特性研究》由東南大學出版社出版。

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