坡面流水动力学特性及增阻机制

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有关坡面流的研究,目前大多运用明渠水力学的理论公式,深入探究水动力学特性、表面现象产生机理、以及侵蚀产沙实际过程。但坡面水流的水深一般很浅,流动也非常不稳定,常常受到外界实验条件的影响,当前已有许多研究成果发表,但在一些方面仍未取得一致结论。因此,本试验通过开展糙度影响、降雨影响及草被覆盖影响下的三场定床放水冲刷试验,研究降水强度、床面糙度、覆盖度、流量对坡面流的作用机制,并给出该实验条件下滚波的演化规律及阻力规律。截至目前,取得的重要研究成果如下:(1)在坡面薄层水流流区判定问题上,如根据二元雷诺数,坡面薄层水流处层流区和过渡流区,但根据试验过程中出现的滚波现象采用黏深比δ/h的判别方法,水流流态分布在滚波流区。相比而言黏深比δ/h判别法更贴近试验现象。基于流态指数m值判别坡面水流流态,m平均值为0.543,说明坡面流分布在过渡流为主、层流为次的混合流区。关于坡面薄层水流流型,考虑到坡度影响影响推导出新的临界水深公式,并得出试验水流极大部分情况下属于急流,只有小部分为缓流的结论。(2)当颗粒阻力为主要影响因子时,阻力系数和雷诺数的关系指数近似等于1.此时,糙度具有“增阻”作用,主要与边壁摩阻力、黏性底层厚度、压差阻力以及滚波四方面有关。水深随糙度增加变大,因而水流与壁面的触碰面积变大,致使摩擦阻力增大,能量耗损增加,阻力系数增大;黏性底层厚度随糙度增加变小,粗糙因子将穿过黏性底层凸显出来,伸入主流区中,水流湍动强度加大,能量耗损较多,阻力系数增大;水流的湍动强度随糙度增加增大,尾涡出现,颗粒的上下游面形成压差阻力,阻力系数增大;滚波现象的出现使得过水断面突然增加,能量耗损较大,致使阻力系数增大。(3)降雨条件下,雨滴滴溅具有“减阻”作用。光面条件下,水深随降雨强度的增加而减小;而在人工加糙条件下,几乎看不出水深随雨强变化的趋势。水深之所以随雨强增加而减小,是由于降雨具有促进水流向下流动,加快了水流速度,综合分析水流阻力系数公式,“减阻”效果显而易见。另外,降雨具有增大黏性底层厚度的作用,相当于减少了床面粗糙度的影响效果,故致其“减阻”。最后,据阻力分割思路,利用多元线性回归分析求得降水影响下坡面流阻力系数的计算公式。(4)草被覆盖是有效的阻流办法。草被覆盖下,流速及水深均随覆盖度增加而增加,且此时坡面流仍处于层流与过渡流互掺的混合流区,与无覆盖时的试验结果相同。阻力系数及糙率系数均随覆盖度的增加而增加,且当盖度小于47.20%时,这种增加趋势不再明显。而关于阻力系数和雷诺数的关系,当床面无植被覆盖时,阻力系数与雷诺数呈反比。植被覆盖时,阻力系数与雷诺数的关系存在临界盖度65.95%,大于该值时,阻力系数随雷诺数先减小后增大,这一规律在其与淹没度的关系中仍然存在。关于形态阻力占比,当盖度较小时,形态阻力占比随流量变化呈先增大后减小的趋势,相反大盖度下,形态阻力在水流总阻力中的占比随流量增大而增加,增幅随盖度增大逐渐减小。最后基于π定理推导出公式f=171406Dr0.267Re-.1176(?)1.828,能较为准确地模拟草被下的阻力系数值。上述研究为构建坡面侵蚀模型奠定基础,也促进了明渠理论向坡面领域的发展。
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