基于LES的连续分布植物斑块水动力特性研究

摘要

河湖中存在大量连续分布的植物斑块，水位发生变化时斑块与河岸之间距离随之改变，进而影响流场结构。为明确水位变化过程中连续分布植物斑块周围的水动力特性，利用Hydro 3D开源代码，采用基于浸没边界法的LES技术，构建了连续分布的圆形刚性挺水植物斑块的数学模型，并通过试验数据验证了数学模型的准确性，并以此为基础开展3维水动力特性研究。结果表明：连续分布的植物斑块之间存在遮蔽效应，斑块后方出现低速区，水流向两侧偏转产生横向出流，斑块内单个植株没有表现出明显的群体效应；剪切作用使高湍动能区域位于斑块两侧，下游斑块的存在破坏了上游斑块后方的尾涡结构；当植物斑块内固体体积分数Φ为0.17时，斑块下游水流呈现出漩涡状结构，有利于在斑块下游富集营养物质；植物斑块与边壁之间的距离（S）显著影响了斑块周围的流场结构，随着S的减少，岸边流速降低，减弱了水流对河岸的冲刷作用，同时，连续分布的植物斑块周围和内部涡结构的强度和完整性逐渐减小；Φ由0.17降低为0.05时，上游斑块遮蔽效应减弱，在斑块后方产生了长度与植被斑块直径（D）相近的涡旋空白区，在斑块尺度上无法形成稳定的涡结构，仅在植株尺度上存在少量涡。研究成果为明确河湖水位变化过程中植物斑块周围水动力特性提供了参考。

关键词

植物斑块 / 大涡模拟 / 水力特性 / 湍动能 / 涡旋结构