河道形態(tài)阻力分形特征研究.pdf

1、河道阻力直接決定著河流的泄流、輸沙等能力，是水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)研究的基本問(wèn)題，也是江河治理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，河道阻力問(wèn)題研究具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。本文采用理論分析、數(shù)值計(jì)算和水槽試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展了河道形態(tài)阻力的分形特征研究，取得了如下主要成果：
　　 (1)河道床面形態(tài)具有自相似特征，可視為分形。采用分形理論中的一維和二維RMD模型，實(shí)現(xiàn)了在給定平面區(qū)域上生成不同分形維數(shù)、粗糙程度及分辨率的河道剖面輪廓及床面形

2、態(tài)，模擬結(jié)果凸顯了精細(xì)的微觀粗糙結(jié)構(gòu)。
　　 (2)基于少量的數(shù)據(jù)資料，應(yīng)用一元分形插值理論和二元分形插值理論分別實(shí)現(xiàn)了河道剖面輪廓及床面形態(tài)的分形重構(gòu)，較好地克服了規(guī)則歐氏幾何粗糙度測(cè)量中的尺度相關(guān)性和數(shù)據(jù)有限性問(wèn)題。
　　 (3)從定性與定量角度對(duì)剖面輪廓及粗糙表面分形維數(shù)的各種計(jì)算方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析比較，提出分別采用結(jié)構(gòu)函數(shù)法和改進(jìn)立方體覆蓋法來(lái)計(jì)算河道剖面輪廓及床面形態(tài)的分形維數(shù)。
　　 (4)對(duì)愛(ài)因斯坦

3、法、姜國(guó)干法、洛特爾法以及加權(quán)平均法等綜合阻力分割方法進(jìn)行了分析討論與驗(yàn)證比較，提出愛(ài)因斯坦法總體最優(yōu)。
　　 (5)探討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問(wèn)題，提出采用分形理論來(lái)研究具有自相似精細(xì)結(jié)構(gòu)的床面粗糙度，確立了床面粗糙度分形表征函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)形式。
　　 (6)建立了沙粒當(dāng)量粗糙度ks1與沙粒阻力系數(shù)n'b及f'b的分形關(guān)系式，式中引入的剖面輪廓分形維數(shù)D，可綜合反映床沙粒徑級(jí)配及隨機(jī)排列所形

4、成的粗糙形態(tài)，對(duì)公式的驗(yàn)證、分析與討論表明，公式結(jié)構(gòu)較為合理，計(jì)算精度令人滿意。
　　 (7)通過(guò)引入充分體現(xiàn)三維沙波床面特征(如平面沙波多寡、幾何形態(tài)及分布狀況等)的分形維數(shù)D，建立了沙波當(dāng)量粗糙度ks2/△及沙波阻力系數(shù)f''b的分形關(guān)系式，導(dǎo)得了ks2/△與f''b之間的關(guān)系，討論了f''b隨ks2/△的變化規(guī)律。
　　 (8)對(duì)曼寧公式存在的量綱不和諧及影響因素不明確兩大缺陷進(jìn)行了嘗試性改進(jìn)，初步建立了量綱和諧且