沙棘植物作用下悬沙水流模型相似律初步研究

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砒砂岩地区由于土壤侵蚀,导致沟壑纵横,水土流失极其严重。沙棘植物柔性坝是防治砒砂岩地区沟道水土流失的有效生态措施。为了在沟道中经济合理地设置与栽植沙棘植物柔性坝,就要依据沟道中水流要素数据来设计。然而,砒砂岩地区千沟万壑,不可能对每条沟道的水流要素进行现场观测以获取基本数据,这是很不现实的。但是可以依据流体力学相似理论,设计模型试验,并进而通过模型试验数据推求原型沟道水流要素数据,以克服原型沟道没有数据的缺限,从而为在沟道中沙棘柔性坝的设计与栽植提供前期理论依据。因而,开展沙棘植物影响下悬沙水流模型相似律及相似比尺的研究就显得十分必要且很有意义。  本文首先回顾了前人在植物对悬沙水流运动的影响以及悬沙模型相似律方面所取得的大量研究成果;然后根据相似理论分析了模型与原型的相似比尺及其相互关系;其次根据不可压缩流体的运动微分方程,分析与探讨了模型与原型的相似准则;接着,基于相似原理和相似准则,根据悬沙水流运动方程和动力方程,推导了沙棘植物作用下的悬沙水流模型相似律;然后计算出了沙棘植物影响下悬沙水流的相似比尺,并设计了模型试验;最后,基于实验数据和相似比尺推求了不同流量下、坝长与坝宽相同,其他沙棘植物栽植参数不同条件下,沙棘柔性坝作用下原型沟道-东沟与西沟的水流要素近似数据,包括水深、断面平均流速、水流的垂向流速及断面平均含沙量,并分析了它们的沿程变化特征及趋势。本研究可为在原型沟道初步设计沙棘植物柔性坝时提供理论依据与参考,具有重要的现实意义。  本文主要结果如下:  1.根据流量相似比尺、坝长相似比尺、坝宽相似比尺计算出了原型地区的流速、水深、含沙量、水流的垂向流速相似比尺;  2.根据沙棘植物作用下悬沙水流运动方程,结合模型试验相似理论及相似准则,初步推导了沙棘植物作用下的悬沙模型相似律;  3.依据模型区的试验数据和相似比尺,推求了不同流量下、不同长度沙棘柔性坝作用下的原型研究区东沟与西沟沟道内的水流要素近似数据,包括沿程流速、沿程水深、沿程含沙量、断面垂向流速等;  4.根据原型沟道在不同坝长沙棘植物柔性坝作用下的水流流速、水深与含沙量数据,并分析了它们的沿程变化及其特征,结果表明,在设计原型沟道内的沙棘植物坝时,要选择适宜的坝长;  5.通过分析坝长与坝宽相同,其他沙棘植物柔性坝栽植参数不同条件下的,原型沟道断面平均含沙量及其沿程变化趋势,并结合水深与流速等数据,结果表明,4#模型试验床沙棘植物柔性坝的设置参数,可以较好地作为原型沟(东沟和西沟)沙棘植物柔性坝初步设计依据。
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