【摘要】：研究坡面薄層流水動力學特性是研究水力侵蝕的基礎。然而由于流態(tài)的復雜性和觀測手段的限制,目前對坡面薄層流流速及結構特征的認識十分有限,對多因素交互影響下薄層流動力特性的變化尚未達成一致認識。本文采用高頻粒子圖像測速系統(tǒng)(Particle Image Velocimetry,PIV),探討了縱垂面坡面薄層流的二維時均流速剖面特征,比較分析其與明渠水流的異同;進一步探究了單株模擬植被上游對稱面的薄層流結構特征。通過開展人工模擬降雨試驗,系統(tǒng)研究了地表粗糙度、模擬降雨、模擬植被影響下的坡面薄層流水動力學參數的變化規(guī)律,并比較了坡面薄層流總阻力與各個阻力分量之間的關系。主要結論如下:1、由雷諾應力分布擬合得到的摩阻流速u*可有效用于坡面薄層流流速剖面及特征參數的估算,據此,流速剖面可劃分為受粘性應力影響的內區(qū)及受雷諾應力影響的外區(qū),且內外區(qū)的界線可變。從床面至水面的流速特征,可劃分為4個亞區(qū):粘性底層、緩沖層、對數區(qū)及半深度區(qū)。根據內外區(qū)界限位置y/H,積分常熟C和阻尼系數A的性質,得到本實驗條件下薄層流區(qū)分于明渠流的水深臨界值為1.8 cm;2、提取單株模擬植物上游薄層行近流的時均和瞬時流速特征,通過概率密度函數的曲線特征發(fā)現薄層流中的兩種流動狀態(tài),即回流和下降流,其中下降流由于薄層流動量較小而不能穿過緊貼床面的渦旋,從而直接沖擊床面形成,因而本文認為其為存在于薄層流的特殊流動模式。觀測并分析時均流場的馬蹄渦(Horseshore Vortex,HV)結構特征,闡明其隨柱體雷諾數(ReD)變化而呈現3個階段的運動狀態(tài)變化,同時驗證了地表粗糙度對HV的顯著性影響;3、通過開展人工模擬降雨試驗發(fā)現,坡面薄層流阻力系數與地表粗糙度呈正比關系,與雷諾數Re、雨強呈反比例關系,隨著雨強的增加阻力系數減小,降雨具有“減阻”的效果。當坡面有植被時,坡面流阻力系數與Re之間呈正相關,而對于裸坡兩者呈負相關。通過配對t檢驗表明顆粒阻力與降雨阻力,顆粒阻力與植被阻力線性疊加結果顯著小于總阻力,證明線性疊加原理不適用于坡面流阻力的計算中;4、分析了植被的蓋度與空間格局對坡面薄層流的影響,蓋度對坡面薄層流的影響大于植被空間格局對坡面薄層流的影響,隨著坡度的增加植被空間格局的作用逐漸減小。當蓋度一定時,空間均勻分布(角尺度為0)格局對坡面薄層流產生的阻力最大。以上研究成果可為土壤侵蝕機理奠定理論基礎,同時,為森林經理提供一定的技術支持。
【圖文】：

１．２．３．２明渠繞流柱體逡逑明渠繞流圓柱體是常見的流動模型，具有較為廣泛的應用，例如涉水工程中的橋逡逑墩繞流、碼頭高|�、海洋立管等问题。詡}屏魘薔淞魈辶ρе泄爬隙指叢擁奈叔義咸�，受詡}某嘰緙靶巫礎⒗戳韉睦著凳�、床脣z植詼鵲榷嘁蛩賾跋�。峨s詮饣倉義咸逶詮饣矯嬪系娜屏魑侍餑殼把繡辰瞎恪５彼髑鶻倉迨�，受到来自詡}宓膩義夏嫜固荻攘Φ淖饔茫髦鸞ゼ跛�，水面抬升并栽燂到詡}迨斃緯芍凡ǎ�，靠近柱辶x咸宥瞬糠至魈宄裁嬖碩蟶嫌位亓鰨肜戳饜緯晌行蚋夢行腦碩旒＠噱義纖樸諑硤閾味浦硤鬮校ǎ齲鄭�。諒T┫窒蠖際塹湫偷腦倉屏髦猩嫌味瞬南噱義細山峁梗ǎ牽潁幔駑澹幔睿溴澹桑螅簦椋幔潁簦錚澹玻埃埃玻Ｎ行哂薪洗蟮募羥辛χ率怪寤坎植砍逅�、辶x锨質矗ǎ耍幔椋潁錚酰幔睿洌遙幔瑁幔�，邋２００，熏F氐奶褪醋饔蒙踔粱岵哦盞乃鷙模斐裳現劐義系木盟鶚�。峨s詒〔懔魅屏髦宥裕澹睿繾＃幔澹ǎ玻埃保罰┑氖到峁礱髟謚邋義锨岸巳源嬖詰湫偷穆硤鬮�，并对基部产生局矚べ|礎Ｈ歡殼盎瓜視惺匝檠繡車謀ㄥ義系饋Ｇ潮〔懔魅屏髟倉迥Ｐ統(tǒng)＜諍影斷浯�、琴|垂�、坡面漫琉嫗V魅浦脖輝隋義隙愿盟魈跫輪邇岸寺硤鬮械難繡塵哂兄匾目蒲б庖�。辶x

本文編號：2613242