一种挺水刚性圆柱体植被群拖曳力计算方法

技术领域

本发明涉及水力学及河流动力学领域，一种挺水刚性圆柱体植被群拖曳力计算方法。

背景技术

水生植被广泛存在于自然界水生环境中，提供了重要的生态服务功能。水生植被能减小水流流速，增加水流拖曳力，抬高水位，降低行洪能力，改变泥沙蚀积状态等。这些影响与植被拖曳力密切相关，因此计算或预测拖曳力在植被水流问题中是很关键的一项研究。另一方面，相对于单株植被，植被冠层的阻力由于存在植被间的相互作用而有所不同，计算出的阻力系数也不同。有研究发现阻力系数随密度的增加而增大(Nepf,1999)，还有的研究则得出相反的结论(Wang et.al.，2014))。

为了预测冠层阻力系数，一些研究试图加入更多的参数包括雷诺数，固体体积分数、植被直径等来给出适应不同密度条件下的阻力系数经验公式(Ghisalberti and Nepf,2004；Cheng,2012；Cheng,2013；Sonnenwald,2018)，还有采用遗传算法来预测(Meng-YangLiu,et al.)，公式形式更复杂但是仍是经验性的,没有从理论层面探究。另一种研究思路是考虑选取合适的参考速度，选取最接近植被实际受到的水流速度。单株植被对水流的影响作用较弱，实际受到的参考速度通常采用通道平均流速，也称体积流速。另一方面，对于冠层植被，植被间相互影响，水流结构变化更复杂，体积流速与实际受到的速度差别较大。常用的孔隙流速代表冠层内的空间平均流速，相比体积流速更准确一些，使用孔隙流速计算出的阻力系数有所减小，但仍与孤立植被阻力系数有差异。

近几年，收缩截面速度作为参考速度被提出(Etminan，2017)，此时计算出的阻力系数可以很好地收缩到孤立植被阻力系数经验曲线上，这样便可以通过曲线预测阻力系数，说明该参考速度可以使阻力系数与雷诺数的关系保持稳定，是更为合理的参考速度。但是该方法只有在密度较大时才适用，应用范围有限。更进一步的，冠层的相互作用主要分为阻塞和遮蔽效应。研究发现，阻塞效应会增大阻力系数，遮蔽效应会降低阻力系数。两种效应的影响与植被密度密切相关。收缩截面速度实际上体现了阻塞作用。还有研究发现，参考速度的选取又与阻塞和遮蔽效应关系密切，当冠层密度条件以阻塞效应为主导时，选择收缩截面速度作为参考速度可以较好地预测植被阻力系数。但是，该参考速度应用密度范围有限。综上所述，需要一个综合考虑植被群阻塞和遮蔽效应的、适用密度范围更广泛的拖曳力预测方法。

发明内容

本发明用于解决背景技术中存在的问题，提供一种充分考虑冠层影响的适用于多种密度条件的拖曳力计算方法。

为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：一种挺水刚性圆柱体植被群拖曳力计算方法，步骤1：实测植被通道平均流速U

步骤2：测量植被直径d，和植被横向间距S

步骤3：计算综合参考速度和对应雷诺数，通过拖曳力系数经验曲线获取拖曳力系数，代入经典拖曳力公式计算拖曳力。

进一步，综合参考速度的公式如下：

式中U

进一步，得到综合参考速度后计算对应雷诺数，计算雷诺数公式如下：

式中Red为雷诺数，v为运动粘度。

进一步，步骤3中，通过孤立圆柱体拖曳力系数经验曲线获取阻力系数C

最后通过经典拖曳力公式计算拖曳力，

式中F

本发明的原理及有益效果：1.提出新的参考速度，使群体植被的阻力系数与孤立植被阻力系数相同，拖曳力系数可以通过经验公式直接得到。

2.通过考虑阻塞和遮蔽效应，结合横向和流向间距提出新的参考速度，适用各种稠密或稀疏密度条件。

3.提出刚性圆柱体植被群拖曳力的预测方法，所用参数十分简单，易于获取。本发明改进了刚性圆柱体植被拖曳力的计算方法，适用于多种密度条件，更具有研究意义和实际意义。

附图说明

图1为水槽布设平面图；

图2为理论值与预测值对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

本申请提供一种挺水刚性圆柱体植被群拖曳力计算方法，以实验的方式进行说明：

1、试验目的

通过水槽试验测量挺水植被群落，确定不同植被密度下的坡度和水面梯度，通过动量方程得到阻力实测值。确定不同植被密度下的植被间距、水深和通道平均流速，将实测阻力和本发明方法预测得到的阻力数据比较，以验证本发明所提供的刚性挺水植被群阻力预测方法的准确性。

2、试验设备

主要设备如表1所示。

3、试验步骤

按照如下步骤进行：

步骤1：实测植被通道平均流速U

式中：Q表示流量，W为通道宽度，h为水深。

步骤2：测量植被直径d，和植被横向间距S

步骤3：计算综合参考速度和对应雷诺数，通过拖曳力系数经验曲线获取拖曳力系数，综合参考速度的公式如下：

式中U

得到综合参考速度后计算对应雷诺数，计算雷诺数公式如下：

式中R

通过孤立圆柱体拖曳力系数经验曲线获取阻力系数C

最后通过经典拖曳力公式计算拖曳力，

式中F

本实例的水槽试验参数和本方法计算参数见表2。

4、结果分析

依据前面试验获得的各工况参数，计算得到开展流速计算所需的各参数(见表3所示)，再将其带入本专利提出的拖曳力预测模型中，分别预测12个工况的拖曳力，预测值以及水槽试验实测值如附图所示。从图的实测值和预测值比较来看，预测与实测值偏差很小(R

表3水槽试验各工况计算参数

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。