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赵:傅,Jinguo Wang天龙,Lv, ”试验研究的影响因素在明渠流速结构和湍流特性仿生草”,土木工程的发展, 卷。2021年, 文章的ID5512536, 16 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/5512536
试验研究的影响因素在明渠流速结构和湍流特性仿生草
文摘
悬挂的问题治疗高度关注了海底油气管道工程建设单位和研究人员。目前的研究表明,仿生海草可以有效地减少流量,促进淤积量,控制管道悬架的发展区域。明渠流的速度分布与仿生草是非常复杂的。仿生草的高度和铺设空间会影响流速分布。目前,流速与仿生草开放的渠道主要是通过测量研究速度变化在前面,中间,和背部的仿生草。一些有效的测量是由完整的速度场。仿生水生草的速度场分布,沿垂直平面测量采用标准粒子图像测速仪(PIV)。仿生草的高度和铺设的影响空间概率密度分布,空间相关性的脉动速度、湍流强度、雷诺应力和湍流动能的保护部分后的明渠仿生草进行了进一步的分析。
1。介绍
仿生草处理的一种新型高分子材料,耐海水浸泡和长期侵蚀(1]。国内外研究表明,仿生草能有效降低流速,促进淤积量,不会产生二次污染环境(2]。目前,很少有结果的物理模型试验仿生草,主要讨论了速度的变化在不同的位置和淤积量的变化在仿生草的保护部分3]。目前,研究背后的细致的明渠流的速度仿生草保护部分很少;尤其是流的湍流特征背后的仿生草保护部分尚未报道。洛佩兹et al。4)测量流场与刚性植物由副词和认为湍流交换强植物层和nonplant层交界处。威尔逊et al。5)分析和比较了绿叶和无叶的植物在湍流流动特性的影响,发现最大的雷诺应力和湍流强度的绿叶植物出现在一个更高的位置。吴et al。6,7)测量了与刚性和柔性植物通过PIV流速度场。分析发现,刚性植物的湍流强度高于灵活的植物。王先生和王8考虑植物的生态功能和测量和研究水下的湍流特性和紧急植物通过水槽试验。结果表明,明渠流的紊动强度和雷诺应力包含水下植物和紧急植物有明显的各向异性,并淹没植物的树冠交界处和淹没植物的枝叶,紊动强度和雷诺应力的最大值。杨伟鑫et al。9)进行了试验研究的明渠流动灵活的淹没植被和发现雷诺应力的增加线性沿水深的上层植被,而植被层的分布更为复杂。歌等。10)测量水生刚性淹没植被的扰动特征,发现植被密度和安排对湍流强度有明显的影响。摘要仿生草的高度和铺设密度的影响在结构和湍流流动特征背后的明渠仿生草的保护部分利用实验数据进行了定量分析。
2。一个测试的一般情况
物理模型试验是进行高精度变坡水槽。槽长12.6米,宽0.25米,高0.25米。为了减少的影响水槽侧壁联合流结构,侧面和底部的水槽是由3.6米长玻璃板,玻璃安装误差小于±0.2毫米,水槽的结构变形小于±0.3毫米。的整流格栅入口处放置水槽和一个铰链尾门安排在出口处。水槽是配备一个自动水位和流量控制系统。超声波水位计是用来测量测试水深。电磁流量计用于测量测试流程。瞬时流速测量的距离约为0.1 m的端截面仿生草席,和0.08米的距离,如图1。
一个二维高频PIV系统用于收集流场沿纵轴两行之间的水箱粒子的测试。该系统主要由高频CMOS摄像头,一个8 W半导体连续波激光器和PIV流场计算软件。CMOS相机的像素是2560×1920,和最大帧率是800赫兹。激光光束转换成45°表光通过棱镜,厚度约1毫米。单光源进入光玻璃底板的水箱,可以穿透玻璃珠在床上表面。WIDIM多重网格迭代图像变形算法用于计算PIV流场,和最小诊断窗口16×16像素。流场的最终解决方案是8×8像素。两个瞬时流场之间的平均时间间隔是1 s(两个图像之间的时间间隔对应于相同的瞬时流场是1.25 ms),和每个工况的样本容量5000倍(10000流场图像)。
实验是一个恒流流动。正常的模型是用于测试。模型中的流速确定根据重力相似准则。测试比例是1/20。仿生草工程T25-type样本用于测试。仿生稻草床垫的实际大小是5 m×5米,每一行之间的间距仿生草在稻草床垫是1.67米,和草是1.5米高。为了分析影响身高和铺设草流速结构的距离,样品不同的草的高度和铺设空间是建立在这个实验中。进行三组平行试验在每个工作状态。测试条件参数如表所示1。
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3所示。实验结果分析
3.1。住宿规律规律仿生草在水流下
图2显示了仿生草在不同实验条件下的住宿。从图可以看出,密集的仿生草的安排是,它越下降。的住宿高度T25仿生草席床垫在不同条件下测量,结果如表所示2。可以看出,仿生草的住宿价值随高度的增加和铺设草的距离。仿生草可以形成对河床覆盖层通过减少住宿高度河床减少水的流失。
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3.2。速度分布在纵向时间平均速度的保护部分仿生草
这是发现从图3背后的纵向速度的垂直分布仿生草节草不同高度和敷设间距相同流量条件下是不同的。铺设空间有很大影响的纵向速度流仿生草后面部分。为了分析流速在不同条件下的垂直分布,最大速度变化的部分x= 2厘米被选中。从图可以看出4的平均速度,当截面小,纵向速度是线性2厘米内管底部,和值是接近于零。当横截面的平均速度大于2厘米,垂直分布的纵向速度是s形。与截面平均速度的增加,流的纵向速度在2厘米的运河仿生草节背后的底部是抛物线沿水深分布。垂直分布的纵向速度类似于“运河上方2厘米。获得的最大纵向时间平均速度垂直y= 5.4厘米y= 4.9厘米y= 3厘米,最大的值是0.235 m / s, 0.30 m / s, 0.24 m / s,分别。可以看出,纵向时间平均速度的最大位置上的垂直线逐渐向下移动,截面平均速度的增加,有关住宿的仿生草。
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3.3。概率密度分布的波动速度仿生草后部分
为了预测湍流运动的基本特征,湍流脉动速度的一个开放的通道可以表达的概率密度分布和时空变化特征。脉动速度在每个工况计算和纵向和垂直脉动速度的概率分布曲线如图4。“−”标志代表了方向。可见,纵向脉动速度的概率密度在明渠流态分布仿生草保护部分。在相同流条件下,纵向脉动速度的概率密度增加而增加的高度仿生草,和峰值趋势变得更陡。然而,纵向脉动速度概率密度的增加在第一,然后铺设距离的增加与减少仿生草,和峰的形状往往是平的。纵向脉动速度的概率分布在不同的工作条件如图5。
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纵向脉动速度的概率分布在不同的工作条件如图6。可以看出,纵向脉动速度概率密度在明渠流背后的仿生草保护部分显示了一个正态分布。与纵向脉动速度概率密度分布相比,总体分布峰值陡峭,正态分布的峰度越大,峰值是尖锐的。在相同流条件下,峰态的垂直表面脉动速度概率密度分布增加逐渐增加草的高度和增加在第一,然后随仿生草敷设间距的减小而减小。然而,更好的对称纵向脉动速度概率分布曲线,整个山峰的奉承的情况。
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3.4。空间相关性波动速度仿生草后部分
相关系数通常是用来描述的空间相关性结构脉动速度定量。相关系数越大,速度是,空间相关性的影响,相反,越糟糕。脉动速度的空间相关性包括自相关和互相关。每一个相关系数的计算公式如下:
和自相关系数,和互关联系数, 和 中任意两点的坐标空间,n是样品的尺寸,u和纵向脉动速度和垂直脉动速度, 和 是纵向扰动强度和垂直湍流强度。
在这篇文章中,流场的几何中心点收购窗口 ,和周围的空间点 。自相关系数和互相关数字计算。相关脉动速度空间的结构特点和变化规则后,仿生草部分水流的作用下进行了讨论。
3.4.1。空间自相关
自相关系数Cuu和Cvv云的图像在明渠流流速仿生草保护部分所示的数据7和8。结果表明,Cuu和Cvv空间结构在中心点成正比。Cuu和Cvv值降低,增加分析分和收购的几何中心点之间的距离窗户。这表明两个点之间的距离越大,较弱的空间自相关脉动速度。最里面的圈Cuu和Cvv图像大致是圆形的。Cuu和Cvv圆中心附近是各向同性的。与仿生草的高度的增加,最里面的圆的面积的云的照片Cuu和Cvv增加,然后降低。
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为进一步定量分析Cuu和Cvv云图像分布特征,定义一个区域系数ζ=一个r/一个,一个r等值线所包围的区域对应的相关系数r,一个分析窗口的总面积。显然,更大ζ,周围区域的比例的相关系数大于等值线的窗口区域。ζuu,ζvv,ζ紫外线,ζvu显示面积系数Cuu,Cvv,C紫外线,Cvu。
的值ζuu和ζvv在不同的操作条件如表所示3。从表可以看出3那ζuu和ζvv一般先增加,然后降低r增加。区等值线包围的变化更敏感r比较大。当r约为0.02,ζuu和ζvv值达到最大。在相同流量条件下,仿生草的高度的增加,最大的值ζuu和ζvv逐渐增加,仿生草铺设的间距的增加,最大的值ζuu和ζvv增加,然后降低。
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3.4.2。空间相关性
相关数量的分布C紫外线和Cvu如数据所示9和10。结果表明,的值C紫外线和Cvu减少与增加分析点之间的距离和几何中心的收购窗口。这表明两个点之间的距离越大,较弱的脉动速度之间的空间相关性。C紫外线和Cvu云映像点分布。C紫外线和Cvu靠近中心处形成各向异性。在相同流量条件下的值C紫外线和Cvu随着仿生草的高度的增加减少和增加空间。
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的ζ紫外线和ζvu值在不同的工作条件如表所示4。结果表明,ζ紫外线和ζvu一般先增加,然后降低r增加。当r= 0,ζ紫外线和ζvu达到最大值。在相同流量条件下,仿生草的高度的增加,最大的价值ζ紫外线先增加然后减少,最大的价值ζvu逐渐减少。与仿生草铺设的间距的增加,最大的价值ζ紫外线先下降然后上升,和最大的价值ζvu先增加,然后降低。
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3.5。明渠流的湍流强度分析后仿生草保护部分
流湍流将导致额外的剪切应力和能量消耗。湍流强度常被用来描述水流的紊流特性。湍流强度是均方根值的平方之和的脉动速度在这个方向流波动,
u′和v′纵向和垂直湍流强度,n样本容量,u和纵向和垂直速度波动。
3.5.1。纵向湍流强度
紊流强度的分布沿纵向流后仿生草保护部分在不同的工作条件如图11。可以看出,运河的底部附近的湍流强度的增加下降的高度仿生草。与工作条件与草5厘米、7.5厘米的高度,发现后者的大部分章节的纵向扰动强度明显低于前者。与仿生草的安排距离的增加,湍流强度逐渐增加,尤其是底部附近的运河。
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图12显示了纵向的垂直分布后的湍流强度仿生草保护部分在不同的工作条件(x= 2厘米)。当安排仿生草的密度变化时,纵向湍流强度的变化规律是相似的。密度较小的曲线更加柔和;即纵向扰动强度垂直剖面的变化更快。安排密度越小,极端点的纵向扰动强度越低,这是由于不同的住宿仿生草在不同工作条件下的高度。
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3.5.2。垂直湍流强度
从图可以看出13的垂直通道的底部附近的湍流强度比较大。与草高度的增加,垂直通道的底部附近的湍流强度变得更小。仿生草的弱化效应时的湍流强度明显增强的草地上身高增加1.5厘米。当仿生草的高度增加到一定值,它将引起湍流强度的变化。流的垂直湍流强度分布在仿生草保护部分不同铺设密度显示了”V“分配通道的底部附近,而上部的纵向分布是均匀的。
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图14后的垂直分布垂直湍流强度仿生草保护部分在不同的工作条件(x= 2厘米)。从图可以看出14的曲线背后的垂直流的湍流强度仿生草保护部分当草的高度基本一致变化小。草地上的小变化高度变化的影响是不够的仿生草流湍流强度的减弱。仿生草的铺设密度对垂直湍流强度几乎没有影响。
(一)
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3.6。在明渠流动的雷诺应力分析仿生草保护部分
在均匀湍流,湍流剪应力遵循以下公式:
在实际的过程中,速度梯度很小,所以 可以忽略;然后。
是雷诺应力和是水的密度。
从图可以看出15的雷诺应力沿水深显示增加首先然后减少的趋势;甚至一些液体有负的雷诺应力。通过比较后面的水流保护的雷诺应力的仿生草在不同草的高度,它可以发现通道底部附近的雷诺应力随草高度的增加而减小。雷诺应力的减少伴随着动量交换的削弱。水面附近的雷诺应力先增加然后减少,这是影响倒伏程度的仿生草。当仿生草的住宿大,明显可以看到雷诺应力的分布。同时,雷诺应力的分布先增加,然后降低,然后增加随着水深的增加。这个交替变换的分布主要是归因于仿生草在水流的扰动。为不同的铺设密度,减少铺设密度的仿生草,背后的向前流动的雷诺应力区域的保护部分仿生草扩展。另一方面,消极的雷诺应力分布面积缩小并显示一个下降的趋势。 The longitudinal distribution of Reynolds stress near the bottom of the canal is gradually uniform and zonal.
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雷诺应力的垂直分布在仿生草保护部分在不同的工作条件(x= 2厘米)如图16。它可以发现在雷诺应力是正数,雷诺应力极值流时最高的草高度是6厘米。一边的雷诺应力是负的,流的最大雷诺应力在仿生草保护部分草高度是5厘米。相同条件下的流速,仿生草的高度是7.5厘米时,雷诺应力沿水深的变化范围是最小的,最稳定的。这表明,仿生草的高度决定了雷诺应力的分布。与此同时,不同铺设密度对雷诺应力的影响不大。
(一)
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3.7。分析在明渠流湍流能量仿生草保护段
湍流动能是基于雷诺时间的观点,综合考虑两个方向的脉动,和时间平均是用来表达的脉动流。湍流动能显示在湍流脉动水质量的能量,这是表达E。
和分别表示纵向和垂直水流的脉动流速强度,分别。
从图可以看出17最大湍动能出现底部附近的通道或仿生草的住宿位置。的解释是,流动粒子的动量交换强烈在这些位置。仿生草越高,稀疏的最大湍动能的分布带。水面附近的湍流能量变得越来越小的排列密度减少的仿生草。图18显示垂直分布后水流的紊流能量仿生草保护部分在不同工作条件下(x= 2厘米)。试验结果表明,湍流能量随仿生草高度的增加而减小。然而,通道的底部附近的湍流能量增加而增加草的高度。与此同时,与仿生草之间的间距的增加,湍流能量的最大位置逐渐靠近底部的运河。
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此外,由于仿生草是一个灵活的材料,测试过程中的摆动范围很大,仿生的草席上产生局部动荡,这将导致湍流动能增加的峰值,峰值变化的范围扩大。在那之后,湍流动能迅速减少。由于卡门涡的影响,第二个峰值后会出现湍流动能的减少,这将再次增加。因此,可以看出,附近的湍流动能明显下降x= 4厘米。
4所示。结论
本文通过物理模型试验仿生草,流速结构和湍流特征背后的明渠仿生草的保护部分进行了分析。(1)与草的高度的增加,时间平均速度附近的住宿高度仿生草减少。最大的意思是纵向速度中间的通道间距的增加而增加仿生草。(2)与草高度的增加,正态分布的峰度垂直脉动频率逐渐增加。与仿生草铺设的间距的增加,最大值的概率分布首先增加然后减少。D252布置密度条件下,纵向脉动速度的概率分布曲线的对称性更好,和正态分布的趋势是奉承。(3)的最大相关系数Cuu和Cvv是关于r= 0.3,是一种非线性关系r和的比例Cuu和Cvv。相关系数占最大的比例,当相关系数r= 0.02。最大的之间的相关系数C紫外线和Cvu是关于r= 0.12。还有一个非线性的比例之间的关系r和C紫外线和Cvu。相关系数占最大的比例,当相关系数r= 0。(4)在相同流条件下,仿生草越高,越小的纵向扰动强度后的水流仿生草保护部分。仿生草的密度减少的铺设,纵向扰动强度的增加,这是接近垂直分布的湍流强度直接流入的情况没有草。这表明仿生草的高度和铺设密度是重要参数影响明渠流的湍流强度。垂直湍流强度分布为指数分布。越接近底部的通道,是垂直湍流强度越大。仿生草的高度越高,水流的垂直湍流强度越小。然而,仿生草的密度的影响躺在垂直分布的湍流强度并不大。(5)流动的雷诺应力增加,然后降低,然后增加沿水深。仿生草的高度较高时,雷诺应力沿水深振荡的振幅最小和最稳定的。(6)湍流能量随的增加而减小的高度仿生草。仿生草之间的间距比较大。湍流能量越大运河附近地区,更强烈的动量交换。
数据可用性
在研究过程中使用的所有数据和模型出现在提交文章。所有可用数据和模型包括在这项研究是根据接触要求相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金批准号下的中国51709025,港口及航道泥沙工程交通行业重点实验室南京液压研究所(Yk220001-6)重点实验室开放研究基金的破坏机理和墙土石坝的安全控制技术的水利部(YK321003),和基本的科学和先进技术研究项目重庆市科学技术委员会(cstc2018jcyjAX0391和cstc2018jcyjAX0084)。
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