【摘要】：異重流,通常是指流體和環(huán)境水體之間由于密度差異而驅(qū)動的一種流動形式,廣泛存在于自然界和工程實踐中。異重流從產(chǎn)生到消失,運行距離較長,運動過程如果遇到水生植被,會對其發(fā)展產(chǎn)生重要影響。水生植被常見于濕地及河口環(huán)境中,植被存在會改變異重流的運動特性,進(jìn)而影響濕地及河口生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、物種的多樣性及居民的生活環(huán)境,故研究此課題對保護(hù)濕地及河口生態(tài)環(huán)境、改善居民生活具有重要的價值。本文首先采用兩臺相機(jī)從側(cè)視及頂視記錄開閘式異重流三維運動形態(tài),通過重復(fù)性實驗分析異重流頭部位置、速度、高度及角度的不確定度,其中不確定度采用變異系數(shù)衡量,并研究與異重流三維運動的關(guān)聯(lián)性。由實驗頂視圖結(jié)果可知,異重流頭部位置存在橫向差異,因此異重流的運動的確存在三維現(xiàn)象。異重流橫向擴(kuò)散不均勻和水槽邊壁摩擦阻力的差異是造成異重流存在三維運動現(xiàn)象的根本原因,而不確定度正是因為異重流三維運動的存在,這與實驗觀測到的異重流頭部平面形態(tài)由波瓣(lobes)和溝裂(clefs)組成的現(xiàn)象一致。實驗表明,在所研究時刻及鹽度下頭部位置、速度、高度和角度均服從正態(tài)分布。當(dāng)異重流處于加速階段,頭部位置和速度的變異系數(shù)隨時間迅速遞減,而減速階段則維持在定值附近,并且變異系數(shù)均小于6%;頭部高度和角度的變異系數(shù)在運動過程中始終維持在定值附近。由本實驗結(jié)果可得,異重流自身三維運動現(xiàn)象所導(dǎo)致的頭部位置或速度的不確定度,約等于平均頭部位置或速度的5-6%。而后通過高速攝像機(jī)拍攝異重流的運動過程,并結(jié)合粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry,PIV)得到局部流場構(gòu),分析剛性植被、草本植被及底床粗糙度對異重流運動特性的影響。結(jié)果表明,不同濃度異重流運動過程仍然分為滑塌階段和自相似階段,并且植被和粗糙底床可以顯著減小異重流滑塌階段向自相似階段轉(zhuǎn)換點的大小,但對滑塌階段的頭部速度影響不顯著。異重流在流經(jīng)剛性植被時,存在半橢圓形輪廓和三角形輪廓兩類;若流經(jīng)浸沒式植被時,如果植被密度較小,異重流頭部速度受植被高度影響不顯著;若植被密度較大時,頭部速度受植被高度影響顯著。當(dāng)無量綱植被高度(植被高度與水深比值)為0.21而且植被密度為18.0%時,異重流會同時沿著植被上方及植被間運動,由于植被上方的異重流密度較植被內(nèi)的密度大,因此會產(chǎn)生瑞利-泰勒不穩(wěn)定性。此外,異重流在植被區(qū)域流動的摻混系數(shù)隨頭部位置增大而減小,摻混系數(shù)較無植被情況小。在流入浸沒式植被后,異重流會以植被頂部為新的“底部邊界”,形成負(fù)渦度帶,但在異重流的上部仍與環(huán)境水體發(fā)生摻混形成正渦度帶;同時也表明植被會減緩異重流運動速度,進(jìn)而降低正渦度帶的強度,并且植被密度與正渦度的抑制程度成正相關(guān)。異重流在流經(jīng)草本植被(長度30 cm,高度3 cm)時,大部分異重流在植被頂部向前運動,流過植被后依然保持典型輪廓,呈現(xiàn)一個先加速、后勻速、然后迅速減速、最后緩慢線性減速的運動過程;流經(jīng)草本植被(長度80 cm,高度6 cm)時,大部分異重流阻擋于植被后方,僅有少部分異重流流出植被后緩慢向前運動,呈現(xiàn)先加速、后勻速、然后迅速減速,最后緩慢運動的過程。異重流在流經(jīng)單側(cè)分布植被時,異重流橫向摻混速率與頭部位置和速度呈負(fù)相關(guān),但遞減速率逐漸減小。異重流流經(jīng)浸沒式單側(cè)植被時環(huán)境水體跡線場散亂,而流經(jīng)非浸沒式單側(cè)植被時跡線場比較規(guī)則,均一性強;且異重流斷面能量隨時間先增大后減小,能量峰值與植被高度呈負(fù)相關(guān)。異重流在粗糙底床運動時,弗勞德數(shù)在滑塌階段變化不顯著,而在自相似階段呈現(xiàn)遞減趨勢;摻混系數(shù)隨頭部位置和理查森數(shù)增大均呈現(xiàn)遞減趨勢,而粗糙底床可以加強摻混,增大摻混系數(shù),下界面由于底床無滑移條件和底床流場結(jié)構(gòu)的多方向性形成正、負(fù)渦度帶交錯的現(xiàn)象,并且異重流剖面速度峰值會出現(xiàn)抬升現(xiàn)象。本文的研究結(jié)果可為有植被的河口及濕地區(qū)域下的生態(tài)環(huán)境保護(hù)及泥沙淤積等領(lǐng)域提供科學(xué)參考依據(jù)。
【圖文】：

圖１．１異重流運動現(xiàn)象（ａ）沙塵暴，（ｂ）雪崩逡逑異重流造成密度差異的原因可以分為兩類：組分驅(qū)動異重流和顆粒驅(qū)動流Ｗ。組分驅(qū)動異重流主要分為溫度差異和鹽度差異產(chǎn)生的異重流，比較常異重流有河口區(qū)域鹽水楔、電廠溫排水和植被和非植被區(qū)水體交換等。顆粒

植被本身特性決定，如剛性植被和柔性植被、浸沒式植被和非浸沒式植被［９，１Ｃ］。逡逑眾所周知濕地生態(tài)系統(tǒng)中存在河口海岸區(qū)域并且濕地植被呈現(xiàn)季節(jié)性淹沒現(xiàn)象逡逑（圖１．２）。濕地植被可以通過增加底床穩(wěn)定性、降低流速、減少底床侵蝕、保持逡逑物種多樣性等方式維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定ｍ］；也可以通過耗散潮汐能、控制沉積物逡逑和污染物的交換以此保護(hù)海岸線［１２＿１４］。當(dāng)風(fēng)暴潮引發(fā)海水倒灌在濕地就會形成異逡逑重流，對濕地植被產(chǎn)生較大破壞，因此研究植被與異重流的相互作用對保護(hù)濕地逡逑生態(tài)系統(tǒng)、保證沿海生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。逡逑＇邋（ｂ）逡逑圖１．２濕地植被（ａ）蘆葦，（ｂ）紅樹林逡逑此外，本研究還可以為相關(guān)領(lǐng)域數(shù)值模擬提供有效的實驗數(shù)據(jù)。在野外對逡逑異重流實地測量十分困難，成本高昂。因此，對異重流的研究多采用數(shù)值模擬和逡逑室內(nèi)實驗，而數(shù)模的有效性常需采用野外觀測數(shù)據(jù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行驗證。目前，，逡逑清水中異重流與植被相互作用的實驗已有學(xué)者著手研究，但較少學(xué)者系統(tǒng)研究異逡逑重流濃度和植被的特征（密度、高度、分布方式）等因素對異重流運動的影響。逡逑因此本文的研究結(jié)果可為該領(lǐng)域數(shù)模提供系統(tǒng)性數(shù)據(jù)。逡逑綜上所述，本文研究植被附近異重流的演變過程和動力學(xué)機(jī)制，將可為湖逡逑泊海洋中污染物的擴(kuò)散、濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、河口鹽水楔入侵、河口航道與海逡逑岸池淤積和延長提供科學(xué)依據(jù)。逡逑１．２國內(nèi)外研究進(jìn)展逡逑國外關(guān)于異重流的研究始于二十世紀(jì)三四十年代。我國最早出現(xiàn)異重流這一逡逑名詞是在１９４７年《水利》第十五卷泥沙專號的一篇譯文上［２］。經(jīng)過八十余年的逡逑發(fā)展
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV145.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 陳吉余,陳沈良;中國河口海岸面臨的挑戰(zhàn)[J];海洋地質(zhì)動態(tài);2002年01期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 林挺;層結(jié)水體中異重流沿坡運動的試驗研究[D];浙江大學(xué);2016年

本文編號：2668335