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湖滨带生态恢复工程模拟平台设计中相似原理的应用

发布时间:2018-09-17 21:11 论文编辑:lgg 所属栏目:工程论文 关键词: 工程论文

本文是一篇工程论文,工程论文论文是学术作品,因此其表述要严谨简明,重点突出,专业常识应简写或不写,做到层次分明、数据可靠、文字凝练、说明透彻、推理严谨、立论正确。

本文是一篇工程论文,工程论文论文是学术作品,因此其表述要严谨简明,重点突出,专业常识应简写或不写,做到层次分明、数据可靠、文字凝练、说明透彻、推理严谨、立论正确,避免使用文学性质的或带感情色彩的非学术性语言。论文中如出现一个非通用性的新名词、新术语或新概念,需随即解释清楚。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景
湖滨带,即为湖泊和陆地之间相连的区域,是两种生态环境之间的过渡带(叶春,1999)。湖滨带是生态系统交错带的简称(Laurance W F et al.,2001)。最早提出“生态交错带”的是 Clements F E(1905)。20 世纪 90 年代国外生态学家提出水体岸边带这个概念,具体是指水域和陆地之间相邻的区域(Natural Resource Conservation Service,USDA,1998),也有国外学者将这个区域称为岸边缓冲带。1988 年联合国教科文组织(UNESCO)将生态交错带定义为,相邻两个或者两个以上生态系统之间的过渡带,最终展现的特征是由其生态系统之间相互作用的空间、强度以及时间决定(MM Holland,1988)。在我国,湖滨带概念最早提出是基于“九五”专题-“中国湖泊生态恢复工程及综合治理技术研究”。结合对湖滨带特征的了解,划分了湖滨带区域,并对其功能进行了详细的描述,提出了几种生态恢复技术和恢复工程模式,建设了湖滨带生态恢复示范工程(王中琼,2002)。湖滨带就是陆域和水域之间的过渡带,在水位发生变化或者其他条件改变时,形成的生态交错带。我国学者对陆地和水域之间的区域开展研究,为了区分地点的不同,将河流岸边该区域称为河岸带,将湖泊该区域称为湖滨带(杨胜天等,2007)。随着对湖滨带研究的深入,对湖滨带的概念也日渐趋于清晰。湖滨带是湖泊流域中陆地生态系统与湖泊水域生态系统之间的过渡带,也是湖泊的一道天然屏障。同时,湖滨带也是整个湖泊系统中对人类活动和自然过程最敏感的部分。湖滨带整个空间范围的分布与风浪和湖水的周期性运动有关。湖滨带是湖泊生态系统的重要组成部分,既是阻止污染物进入湖泊的缓冲区域,也是地表径流入湖前的重要屏障。
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1.2 国内外研究进展
国外 Mueller T J(1963)为模拟实际的情况,在水槽和风洞中放入单个楔形挑坎进行模拟研究。Armaly B F(1983)为了研究流场,做了很多关于流动的模型试验,最终为实验方案的设计提供了大量的数据。20 世纪初,我国很多学者开展相似理论在工程中的应用研究(林皋,1958),陈秉聪(1982)、蒋黔生(1982)已经系统的阐明了相似原理、相似原理求解相似准数的方法以及相似原理在工程中的应用;冯金富等(1996)、张氢等(2000)、李宗森等(2008)将相似原理运用到流体力学、混凝土的结构当中,模型和原型之间不再是静态的相似,而是考虑了动态的相似,继而推导出相似准数,并且通过实验模拟出原型的特性。目前已经有人将相似原理运用到模型设计中。比如,张洁等人(2014)利用相似原理对钻井装置进行了改进;程荣超等人(2008)根据相似理论和量纲分析的结果,研究并制作了多功能井筒流动模拟实验架;王颖(2014)根据相似原理改进实验装置,提高了沉降槽的利用率;王军现(2016)依据相似原理,按照 1:3 的相似比设计制作硅包水模型实验装置,对硅包进行初步优化设计,使模型和原型之间的弗劳德数相等;李良川等人(2011)在超临界二氧化碳钻井流体携岩特性实验中,将雷诺数作为模型和原型之间的相似准数进行试验装置的设计;杨剑(2008)以相似原理为基础,对烟气脱硫氧化实验模拟装置进行设计,采用 10:1 的尺寸模型以及保证雷诺数相等进行后续研究,实验结果表明能很好的运用到烟气脱硫氧化过程中;王汉鹏等人(2014)在对盐穴造腔模拟与形态控制实验装置的研制中,运用相似原理,对尺寸和时间进行控制,证明该装置的安装能较好地模拟多夹层盐穴造腔可视化进程。综上,国内外对于相似理论的研究趋于成熟,已经在多个方面开展了研究,并取得了一定的成果。
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2 研究方法及原理
 
本文主要对湖滨带模拟装置进行设计,将相似原理运用到湖滨带装置设计中。考虑了湖滨带发生的水动力过程和物理化学过程,运用相似转化的方法求取了一系列无量纲的相似准数。在本文第五章实例运用中,采用 BANG1D 浊流模型对相似准数的有效性进行验证。
 
2.1 相似原理
相似理论主要基于相似三定理(陈秉聪,1987;蒋黔生,1982)。相似第一定理:两种现象相似,其相似准数的值相同。这里的相似准数值是一个不变量而不是常量。相似第二定理(Π 定理):假设一个系统中有n 个物理量,相似第三定理可以理解是第一定理的逆定理:同一类现象,当单值条件相似,而且由单值条件中的物理量组成的相似准数在数值上相等时,则这些现象必定相似。本文主要研究湖滨带装置模型设计,将相似理论运用到湖滨带设计当中。考虑实验室模拟湖滨带时模型的设计。
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2.2 浊流模型
 
2.2.1 浊流概念
浊流概念最早提出是 1887 年,瑞士学者 Forel(1885)在对日内瓦湖进行研究时,在湖底发现了一股潜流,从而提出了浊流的概念。从沉积学的角度来讲(方爱民等,1998),将自然界中存在的流体划分为两种:一种是重力流,另一种是牵引流。前者是在重力的驱动下的流体,后者则是在惯性力驱动下的流体(弗里德曼等,1987)。浊流是重力流中一种特殊形式,流体的湍动使颗粒物悬浮,从而引起的水流(Lowe D R,1982)。随着越来越多的专家学者对浊流开始研究,对浊流的认识也更加的成熟。浊流是沿水下斜坡或者峡谷流动的,往往携带着大量的泥沙。因涉及的专业不同,因而对浊流有很多叫法,比如底流、重力流和密度流等。通常是指两种或多种液体接触,因为密度不同,往往出现分层,密度大的逐渐下沉,密度小的则上浮。以湖滨带来说,携带大量颗粒物的水流流经湖滨带时,颗粒物比重大于湖水比重时,就会使颗粒物沿斜坡流动时水流流速变缓,一部分会沉积,另一部分会悬浮。坡面漫流是指降雨或者融雪在重力作用下沿坡面流动的水流,当降雨量或者融雪量超过地面截留、土壤入渗以及土壤填洼的最大饱和量时,就会发生水流沿着路径变化的坡面漫流。坡面漫流不同于降水在明渠中的流动。从水力学看,它是一种非稳定流向的薄层水流,水深极浅,一般情况下只有几毫米甚至零点几毫米(张宽地等,2014)。在沿坡度变化的过程中,不断有新的能量输入,使得坡面漫流在时间和空间上有着较大的变化。在坡面漫流过程中不断发生溶质和沉积物沉积运动。从坡面漫流情况来讲,坡面的坡度和边界条件较复杂,因此对坡面漫流的研究有相当大的难度。运用相似原理进行湖滨带装置模型设计时,主要找出能够表示坡面漫流的数学控制方程。
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3 湖滨带水动力过程 ........ 12
3.1 缓坡区水动力过程 ....... 12
3.2 浅水区水动力过程 ....... 28
3.3 本章小结 ............. 32
4 湖滨带物理化学过程 .... 34
4.1 污染物直接光解 ........... 34
4.1.1 控制方程 ............ 34
4.1.2 相似准数 ............ 34
4.2 光照强度与光合作用过程 ..... 35
4.2.1 控制方程 ............ 35
4.2.2 相似准数 ............ 36
4.3 硝化、反硝化过程 ....... 36
4.4 本章小结 ............. 39
5 实例应用 .... 40
5.1 实验介绍 ............. 40
5.2 判断实验合理性 ........... 40
5.3 数值模拟 ............. 48
5.4 本章小结 ............. 52
 
5 实例应用
 
这一章主要是相似原理在实验室模拟湖滨带中的应用,用已有实验设计进行验证。主要模拟浅水区沉积物运移过程,通过沉积物运移过程的数学控制方程求取相似准数,结合实际参数值,与已有实验室模拟设计参数计算的相似准数范围进行比较,判断其实验设计的合理性,并用 BANG1D 浊流模型验证相似准数的有效性。
 
5.1 实验介绍
为了研究不同基底形态对营养盐的去除效果差异,有人在实验室内模拟不同基底(平面型、斜面型、凹面型、多自然型)对营养盐的去除(孔祥龙,2015),实验装置是一个玻璃缸,所需的水和土壤全部来自于太湖竺山湾湖滨带。首先将土壤运回实验室,对土壤进行前期处理,使其充分混合,紧接着将处理过的土壤装入玻璃缸中。根据实验的初步设想,构建不同的基底,然后在装置内开始加水,为了防止流速过快冲刷土壤,选用塑料软细管将水缓慢导入到玻璃缸中,保证实验设计时,水位保持一个定值。为了防止光照对各对照组的实验产生影响,玻璃缸周围全部用黑色塑料纸进行遮挡。