水生植物是天然河流生态系统的重要组成部分。植被群落为水中生物提供食物来源和栖居场所,使得水体成为具有生命活力的水生生态环境,从而保存了水生环境的生物多样性。水生植物在改善水流环境,维持生物多样性和河床稳定的同时,也增加了水流阻力,增强了水流能量的消耗,降低了河流的流速,提高了河流水位,降低了河道的行洪能力,增加了洪涝灾害的风险。植物水流让流体力学和生态学这两个本来毫无关系的学科密切联系在一起,成为了当下环境流体力学的一个焦点问题,对于该问题的探究具有非常重要的工程意义。因此本文在全面且系统地回顾和总结了该领域国内外研究现状之后,选用刚性圆柱作为数值物理模型,基于带自由表面水动力学数值模型,采用双方程k-ω的剪切应力输运(SST)湍流模式,对非淹没刚性圆柱群水流场进行了三维数值模拟。与实验数据进行对比,验证了模型的有效性及模拟精度。通过圆柱群绕流场特征的模拟分析,探究了不同圆柱雷诺数和圆柱群密度条件下柱群后尾流区剪切层长度、柱群内剪切层渗入长度、雷诺应力、湍动能以及床面应力空间分布特征。具体研究内容包括以下几个方面:(1)本文基于横纵向时均流速分布分析了不同柱群密度和固体体积分数下柱群两侧剪切层长度、渗入长度和剪切层沿程宽度的变化趋势,明确了三者随Re_d和φ的变化趋势。(2)通过对无量纲床面应力进行分析,探究了柱群存在时对床面泥沙的影响。(3)本文给出了柱群内部和尾迹区的瞬时涡量场和速度云图,分析了瞬时场流场结构。根据时间平均脉动流速探究了柱群内部和尾迹区不同横断面的雷诺应力分布。