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)與河流動力學(xué)研究的基本問題，也是江河治理設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，河道阻力問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)值計算和水槽試驗相結(jié)合的方法，開展了河道形態(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量中的尺度相關(guān)性和數(shù)據(jù)有限性問題。
　　 (3)從定性與定量角度對剖面輪廓及粗糙表面分形維數(shù)的各種計算方法進行了系統(tǒng)分析比較，提出分別采用結(jié)構(gòu)函數(shù)法和改進立方體覆蓋法來計算河道剖面輪廓及床面形態(tài)的分形維數(shù)。
　　 (4)對愛因斯坦

3、法、姜國干法、洛特爾法以及加權(quán)平均法等綜合阻力分割方法進行了分析討論與驗證比較，提出愛因斯坦法總體最優(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題，提出采用分形理論來研究具有自相似精細結(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配及隨機排列所形

4、成的粗糙形態(tài)，對公式的驗證、分析與討論表明，公式結(jié)構(gòu)較為合理，計算精度令人滿意。
　　 (7)通過引入充分體現(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行了嘗試性改進，初步建立了量綱和諧且