水力学及河流动力学论文范文参考关于水力学及河流动力学的优秀论文范文【10篇】

水力学及河流动力学论文范文参考关于水力学及河流动力学的优秀论文范文【10篇】 河道阻力直接决定着河流的泄流、输沙等能力,是水力学与河流动力学研究的基本问题,也是江河治理设计的关键参数,河道阻力问题研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景.本文采用理论分析、数值计算和水槽试验相结合的方法,开展了河道形态阻力的分形特征研究,取得了如下主要成果: (1)河道床面形态具有自相似特征,可视为分形.采用分形理论中的一维和二维RMD模型,实现了在给定平面区域上生成不同分形维数、粗糙程度及分辨率的河道剖面轮廓及床面形态,模拟结果凸显了精细的微观粗糙结构. (2)基于少量的数据资料,应用一元分形插值理论和二元分形插值理论分别实现了河道剖面轮廓及床面形态的分形重构,较好地克服了规则欧氏几何粗糙度测量中的尺度相关性和数据有限性问题. (3)从定性与定量角度对剖面轮廓及粗糙表面分形维数的各种计算方法进行了系统分析比较,提出分别采用结构函数法和改进立方体覆盖法来计算河道剖面轮廓及床面形态的分形维数. (4)对爱因斯坦法、姜国干法、洛特尔法以及加权平均法等综合阻力分割方法进行了分析讨论与验证比较,提出爱因斯坦法总体最优. (5)探讨了糙率尺寸法及暴露度分析法在床面粗糙度表征中存在的问题,提出采用分形理论来研究具有自相似精细结构的床面粗糙度,确立了床面粗糙度分形表征函数的基本结构形式. (6)建立了沙粒当量粗糙度k_(s1)与沙粒阻力系数n_b ,及f_b,的分形关系式,式中引入的剖面轮廓分形维数D,可综合反映床沙粒径级配及随机排列所形成的粗糙形态,对公式的验证、分析与讨论表明,公式结构较为合理,计算精度令人满意. (7)通过引入充分体现三维沙波床面特征(如平面沙波多寡、几何形态及分布状况等)的分形维数D,建立了沙波当量粗糙度k_(s2) /及沙波阻力系数f_b,的分形关系式,导得了k_(s2) /与f_b,之间的关系,讨论了f_b,随k_(s2) /的变化规律. (8)对曼宁公式存在的量纲不和谐及影响因素不明确两大缺陷进行了尝试性改进,初步建立了量纲和谐且经分形细化的曼宁公式. 我国南方红壤丘陵区地处热带、亚热带,水热资源丰富,但由于该区域土壤性能较差,加之不合理的土地利用,土壤侵蚀退化严重.同时,该区域降雨集中且强度大,分散的地表径流由于地形影响逐渐集中,形成的集中水流冲刷地表,在土壤表面有明显的细沟和侵蚀沟出现.因此,研究该区域集中水流内红壤分离机制和红壤结构因子团聚体在集中水流内的剥蚀特征十分必要.本文以我国南方亚热带丘陵区泥质页岩和第四纪红粘土两种典型母质发育红壤为研究对象,系统分析了水力学特性、红壤结构因子与红壤分离过程间的内在关系,并深刻探讨了水力学特性、运移距离、团聚体粒径大小、稳定性强弱对自身剥蚀程度的定量影响以及团聚体剥蚀后颗粒粒径、粒形、胶结物质的分布规律,从机理层面对红壤坡面集中水流内土壤分离机制和粗颗粒泥沙(团聚体)剥蚀过程进行了详细阐述.取得的主要结论如下： 1.在采用传统的湿筛法指标分析红壤团聚体稳定性的基础上,结合可以区分团聚体破碎方式的LB法,从多个角度综合评价了红壤团聚体稳定性.同时,针对红壤独特的成土条件和物质组成,分析了红壤基本理化性质对团聚体稳定性的影响作用机制,重点探讨了粘粒、有机质和铁铝氧化物与团聚体稳定性间的关系. (1)由于预处理、团聚体稳定机制和衡量指标的差异,所有供试红壤团聚体稳定性排序不完全相同.湿筛法研究结果表明,在相似的土地利用状况,泥质页岩发育红壤的团聚体水稳性总是低于第四纪红粘土发育红壤(QJ4土样除外)；忽略成土母质,所供试红壤中茶园、林地、草地的农耕活动相对较少,因此水稳性相对较强.LB法测得的不同处理各红壤间差异显著性趋势不同,但所有供试红壤团聚体平均重量直径排序均为MWDFW(快速湿润),MWDWS(预湿润振荡),MWDSW(慢速湿润),可见快速湿润引起的消散作用和外应力引起的机械破碎作用是红壤团聚体的主要破碎机制. (2)团聚体稳定性参数不同,与理化性质问的相关性也明显不同.红壤团聚体稳定性主要与粘粒含量、有机质、游离态铁铝相关性较好,而与阳离子交换量、非晶形铝未有显著性相关.其中,粘粒在快速湿润的条件下所起的作用更强,与团聚体稳定性间相关性更好,而有机质、游离态氧化铁铝在维持土壤团聚体稳定性上起到主导作用. 2.通过选取扰动土样和野外原状土样,进行室内模拟集中水流冲刷试验.研究得出了不同水力学参数及水动力学参数对集中水流内红壤分离速率的定量影响.同时,综合团聚体稳定性特征参数(As)、饱和抗剪强度(s)及根系密度(Rd)相关参数,分析其参数与集中水流内红壤分离速率、可蚀性因子及临界剪切力间定量关系. (1)集中水流内水流流态主要以紊流、急流为主,且坡度对水流流态的影响远小于流量对流态的影响.平均流速、径流水深与坡度、流量的关系均可用幂函数来模拟.红壤分离速率是流量、坡度的幂函数,也是径流水深和坡度的幂函数,此外,红壤分离速率与坡面水流流速关系密切,呈较好的幂函数关系.所选取的水流剪切力、水流功率和单位水流功率三个水动力力参数,它们均与红壤分离速率呈线性关系,水流功率是描述红壤分离速率最为确切的水动力参数. (2)各红壤分离速率与水流剪切力间呈较好的线性关系,但红壤间集中水流内可蚀性系数Kc与临界水流剪切力c有较大差异.团聚体稳定性特征参数As与不同水流剪切力中红壤分离速率有较好的相关,并且与集中水流内可蚀性系数Kc呈现显著的线性关系(R2等于0.70,p,0.01),同时,作物根系密度(Rd)与其呈现较好的负相关幂函数关系(R2等于0.40,p等于0.09)；红壤饱和抗剪强度(s)与集中水流内临界水流剪切力(s)亦呈较好的线性关系(R2等于0.64,p等于0.02).利用WEPP细沟侵蚀模型框架,以团聚体稳定性特征参数As、根系密度Rd代替可蚀性因子Kc,饱和抗剪强度s代替临界水流剪切力c,通过回归分析,得出新的预测集中水流内红壤分离速率方程. 3.通过4个相关的集中水流内团聚体冲刷试验,分析得出运移距离、水力学特性、粒径大小及自身稳定性对团聚体剥蚀破坏的定量影响.首次阐述其在集中水流内剥蚀规律,团聚体剥蚀后粒径、粒形变化及红壤团聚体胶结物质有机质、铁铝氧化物在其内外的分布特征. (1)团聚体在坡面集中水流中的剥蚀破坏受自身稳定性、粒径大小的影响,稳定性越强、粒径越小,在不同运输距离和流量中破坏程度越小.不同粒径团聚体在坡面运移过程中的剥蚀破坏大致分为两个阶段.团聚体在坡面集中水流中的破坏机制与砾石在河流中的剥蚀破坏机制不同.团聚体剥蚀程度与径流水深、阻力系数水力学参数关系密切.融合坡度和径流水深的多元回归方程亦可准确预测不同坡度和流量条件下团聚体剥蚀破坏程度.初步得出单位水流功率是描述集中水流内红壤团聚体剥蚀破坏程度较好的水动力学参数. (2)研究得出具有一定物理意义的机械破碎指数RMI与不同运移距离中团聚体剥蚀破坏程度Wr/Wi值均达到显著性相关(p,0.05),利用团聚体机械破碎指数RMI和运移距离x相结合,得出了集中水流中不同运移距离红壤团聚体剥蚀程度预测方程. (3)初始对机械破碎敏感较弱的团聚体,一定运移距离内剥蚀破坏程度较低,大颗粒团聚体含量相对较多,剥蚀破坏后的MWD相应较大.剥蚀破坏后供试各红壤间微团聚体粒径粒形变化不大,而形状因子(Cir)的Ds0值均随运移距离的增加呈现对数函数增加的趋势.即对机械破碎程度敏感较弱的团聚体,定运移距离剥蚀破坏后微团聚体颗粒形状愈接近球形. (4)红壤团聚体中主要胶结物质有机质(SOM)、游离态铁铝(Fed和Ald)在团聚体内外并非均匀分布,而是集中于团聚体颗粒内部,且经过一定运移距离剥蚀后的团聚体内部SOM、Fed和Ald含量对其原土中相应含量值贡献最大. 本文首先介绍了非平衡态热力学的两个基本理论最小熵产生原理和耗散结构理论,并根据熵产生与能耗率关系,得出最小熵产生原理与最小能耗率原理二者等价的推论.然后将最小能耗率原理和耗散结构理论移植到河流动力学领域.应用这两个基本理论主要研究解决了以下问题（1）通过分析研究指出杨志达（Yang C.T.）等人提出的最小能耗率原理存在着某些缺陷.继而基于最小熵产生原理重新推导出流体最小能耗率原理的一般数学表达式. 坡面径流水动力学特性和挟沙机理研究是目前土壤侵蚀的研究热点也是薄弱环节,虽有不少研究成果面世,但由于流动型态的特殊性,使得阻力规律、流态判定、输沙动力学机理等方面研究尚存疑颇多,本文通过不同粗糙度定床阻力试验、径流小区模拟降雨试验和水槽冲刷试验相结合的方法,探讨了坡面水流增阻机理,得到了流态判别新判数,并对水流强度指标进行了归纳总结,提出了挟沙能力统一表达式,最后,基于粒子群优化算法,推导出了坡面水流挟沙能力计算公式,从而为土壤侵蚀预报模型提供有益参考,主要取得的创新性成果有: (1)通过理论推导和定床阻力试验相结合的方法,揭示了坡面水流水动力学特性.坡面水流平均流速、平均水深、弗如德数和阻力系数均与单宽流量、坡度、粗糙度呈幂函数形式变化,在此基础上,给出各水力要素的经验计算公式.由此表明,各水力要素之间的关系可围绕流态指数m进行分析和探讨.本试验验条件下,流态指数m在0.3170.418之间变化,并随着床面粗糙度的增加而增大,流速修正系数在0.2-0.75之间变化,同时随雷诺数和床面粗糙度的增加而增大,而随坡度的增加逐渐减小,这表明坡面流垂线流速分布与明渠水流垂线流速分布不同.验证和探讨了坡面水流“增阻”现象,并初步阐明增阻的本质.坡面水流阻力与雷诺数的呈反比关系,相同雷诺数条件下,阻力系数比明渠层流阻力系数要大,且随床面粗糙度的增加而增大.关于增阻的原因主要有:一方面坡面薄层水流的绕流作用,在床面突起物后形成尾涡,造成压差阻力,另一方面与自由表面失稳后形成的附加阻力有关. (2)揭示了坡面滚波流演化规律,并得到了自由表面失稳的临界水力条件.滚*速与单宽流量和韦伯数均成幂函数形式变化,当韦伯数小于1.0时,波速增幅较大,当韦伯数大于1.0时,韦伯数对波速的影响逐渐弱,而与昂色格数呈线性关系.波长沿流程长度的增加近似呈线性增加,特定断面波长与单宽流量和韦伯数的关系均呈单驼峰形状变化,而与试验坡度成良好的线性关系,层流失稳区临界弗汝德数在0.5到0.7之间变化,临界昂色格数在3.0,10(-3)与3.9,10(-3)之间变化,而紊流区失稳区临界弗汝德数在1.59到2.2之间变化. (3)提出了坡面水流流态判别新方法.根据滚波消退临界条件,给出了新的流态判数粘深比,该参数综合表征了惯性力、粘滞力和重力三者的对比关系,同时也反应了无量纲参数弗如德数和雷诺数的对比关系.当粘深比/h大于临界值0.12时,水流处于层流失稳区(即滚波流区),当/h小于临界值0.12时,水流处于紊流区.“滚波掀沙,水流输沙”成为坡面水流输沙的本质所在. (4)阐明了降雨条件下沙黄土坡面薄层水流的水动力学特性.当雨强在1.02.33mm/min、坡度在6-21,之间变化时,沙黄土坡面水流粘性底层厚度在0.250.45mm之间,粘深比等于/h大约在0.950.30左右,水流处于层流失稳区.坡面形态处于低能态区和过渡区.随着水流强度增加,坡面形态由沙纹向动平床的过渡,当地面坡度较缓时,床面出现沙纹现象,宏观上多呈缓流,反之,地面坡度陡时,坡面由沙纹和沙垄向动平床过渡,宏观上多呈急流,并给出了考虑绕流影响的阻力系数的计算通式. (5)明确了降雨条件下沙黄土坡面和无粘性沙质床面各水流强度指标与输沙强度的优劣关系,并给出了试验条件下坡面水流挟沙能力计算公式.两种试验条件下,坡面水流输沙强度与水流功率的关系均最好.对于粘性沙,平均流速类指标相对较好,而对于无粘性沙,平均流速指标不宜使用.在此基础上,对各水流强度指标进行分析和总结,给出了以流速、坡度和水深三者结合的统一水流强度参数,得到了坡面挟沙能力的通式,最后采用改进粒子群优化算法,推导出本试验条件下,坡面水流挟沙能力计算新公式,从误差分析表明,模拟计算值与实测值比较接近. 由于实际工程中湖泊、水库、河流、河口区域边界几何形状的不规则,以及水动力学方程的非线性性质,使得理论分析解难以作出,只能求助于数值解.数值模拟具有成本低、速度快、资料完备、具有改变各种参数、模拟真实条件及理想条件的能力.计算水力学中所求解的是非线性偏微分(积分)方程组,其数值方法的现有数学理论尚不够充分,严格的稳定性分析、误差估计和收敛性证明等理论工作的发展还跟不上数值模拟方法的进展.所以,需依靠对非线性数学方程的数值实验及数值解与试验或典型算例结果的