浸沒及非浸沒剛性短植被群對異重流運動特性的影響
發(fā)布時間：2021-08-17 08:38
利用一系列開閘式異重流水槽實驗,研究不同剛性植被密度和高度的短植被群對異重流運動的影響.通過高速攝像機拍攝異重流的運動過程,利用粒子圖像測速技術(shù)得到局部流場結(jié)構(gòu).結(jié)果表明:異重流在流經(jīng)短植被群時,存在半橢圓形和三角形兩類輪廓;運動過程分為坍塌階段和自相似階段,并且植被可以顯著促進(jìn)異重流從坍塌階段向自相似階段的轉(zhuǎn)換,但對坍塌階段的頭部速度影響不顯著.當(dāng)無量綱植被高度（植被高度與水深比值）為0.21,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,植被上方的異重流密度較植被內(nèi)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)隨頭部位置而遞減,且較無植被情況小.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,但植被頂端的異重流仍與環(huán)境水體發(fā)生摻混形成正渦度帶.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).
【文章來源】：上海交通大學(xué)學(xué)報. 2020,54(03)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
開閘式異重流實驗水槽設(shè)置
其中:a、b為擬合參數(shù),b代表x*和t*數(shù)據(jù)線性化后的擬合直線斜率,斜率越小代表頭部速度越小.表2 實驗工況及擬合參數(shù)Tab.2 Experimental cases and fitting parameters 工況 滑塌階段 自相似階段 x*t xt/cm u* u/(cm·s-1) a b R2 1 6.74 94.36 0.41 5.12 0.89 0.73 0.99 2 5.95 83.30 0.39 4.93 0.80 0.74 0.99 3 4.52 63.28 0.42 5.25 0.82 0.71 0.99 4 3.74 52.36 0.38 4.83 0.67 0.74 0.99 5 5.22 73.08 0.41 5.16 0.82 0.74 0.99 6 4.24 59.36 0.42 5.34 0.95 0.66 0.99 7 3.72 52.08 0.40 5.02 0.93 0.64 0.99 8 3.10 43.40 0.41 5.22 0.62 0.80 0.99 9 3.04 42.56 0.39 4.90 0.67 0.77 0.99 10 3.01 42.14 0.41 5.15 0.97 0.62 0.99
異重流在閘門開啟后會沿著水槽底部向前運動,在流經(jīng)不同密度和高度的植被時,形態(tài)發(fā)生改變,如圖2所示.異重流在沿著光滑底床流動時頭部高度約為H/2[15];當(dāng)hv=0.21時,異重流在流經(jīng)植被時頭部高度稍有抬升,頭部高度大于H/2;當(dāng) hv=0.46時,異重流頭部典型形態(tài)消失,演化為三角形輪廓,部分流體會在植被頂部向前流動(圖2(f));當(dāng)hv=1.00時,異重流在植被間運動,頭部輪廓趨于平滑并且演化為三角形輪廓(圖2(i)),與文獻(xiàn)[8]觀察結(jié)果一致.當(dāng)hv=0.21時,異重流在流經(jīng)不同密度植被時與流體在兩層多孔介質(zhì)中流動的形態(tài)極為相似[16].在RSPF=4.5% (圖2(a))和9.0% (圖2(b))時,異重流依然保持半橢圓頭部形態(tài),下層流體在植被間運動,上層大部分流體在植被頂部流動,類似于在粗糙度較大的底床上運動,植被間的流體由于植被的阻擋效應(yīng),流體速度減慢,與周圍流體的摻混減少,即開爾文-亥姆霍茲(K-H)渦減少,湍動能減小.植被上部流體上界面與環(huán)境水體發(fā)生挾帶和摻混,下界面向下坍塌并補充到植被內(nèi)部流體中去,將勢能轉(zhuǎn)化為動能,維持異重流繼續(xù)向前運動.對于 RSPF=18.0% (圖2(c)),異重流流入植被時出現(xiàn)2個頭部并且分層向前運動,兩者速度幾乎保持一致,由于高錳酸鉀與鹽水有很好的相容性,所以水體顏色可以清楚地反映異重流濃度的變化;通過觀察可以發(fā)現(xiàn)植被內(nèi)部異重流顏色較植被上部更淺,因此可以認(rèn)為異重流植被區(qū)域流體密度比植被上部密度低.異重流上部區(qū)域流體的上界面與環(huán)境水體間會產(chǎn)生K-H不穩(wěn)定[17],使上部流體因挾帶和摻混作用而被稀釋;下界面由于植被上部流體較植被內(nèi)部流體密度大而產(chǎn)生R-T不穩(wěn)定性,從而與下部流體發(fā)生交換[11],向下輸入動能維持下部區(qū)域異重流向前流動的能量.
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]異重流在層結(jié)與非層結(jié)水體中沿斜坡運動的實驗研究[J]. 賀治國,林挺,趙亮,林穎典,胡鵬,冉啟華,何昊哲. 中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2016(06)
本文編號：3347446
【文章來源】：上海交通大學(xué)學(xué)報. 2020,54(03)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
開閘式異重流實驗水槽設(shè)置
其中:a、b為擬合參數(shù),b代表x*和t*數(shù)據(jù)線性化后的擬合直線斜率,斜率越小代表頭部速度越小.表2 實驗工況及擬合參數(shù)Tab.2 Experimental cases and fitting parameters 工況 滑塌階段 自相似階段 x*t xt/cm u* u/(cm·s-1) a b R2 1 6.74 94.36 0.41 5.12 0.89 0.73 0.99 2 5.95 83.30 0.39 4.93 0.80 0.74 0.99 3 4.52 63.28 0.42 5.25 0.82 0.71 0.99 4 3.74 52.36 0.38 4.83 0.67 0.74 0.99 5 5.22 73.08 0.41 5.16 0.82 0.74 0.99 6 4.24 59.36 0.42 5.34 0.95 0.66 0.99 7 3.72 52.08 0.40 5.02 0.93 0.64 0.99 8 3.10 43.40 0.41 5.22 0.62 0.80 0.99 9 3.04 42.56 0.39 4.90 0.67 0.77 0.99 10 3.01 42.14 0.41 5.15 0.97 0.62 0.99
異重流在閘門開啟后會沿著水槽底部向前運動,在流經(jīng)不同密度和高度的植被時,形態(tài)發(fā)生改變,如圖2所示.異重流在沿著光滑底床流動時頭部高度約為H/2[15];當(dāng)hv=0.21時,異重流在流經(jīng)植被時頭部高度稍有抬升,頭部高度大于H/2;當(dāng) hv=0.46時,異重流頭部典型形態(tài)消失,演化為三角形輪廓,部分流體會在植被頂部向前流動(圖2(f));當(dāng)hv=1.00時,異重流在植被間運動,頭部輪廓趨于平滑并且演化為三角形輪廓(圖2(i)),與文獻(xiàn)[8]觀察結(jié)果一致.當(dāng)hv=0.21時,異重流在流經(jīng)不同密度植被時與流體在兩層多孔介質(zhì)中流動的形態(tài)極為相似[16].在RSPF=4.5% (圖2(a))和9.0% (圖2(b))時,異重流依然保持半橢圓頭部形態(tài),下層流體在植被間運動,上層大部分流體在植被頂部流動,類似于在粗糙度較大的底床上運動,植被間的流體由于植被的阻擋效應(yīng),流體速度減慢,與周圍流體的摻混減少,即開爾文-亥姆霍茲(K-H)渦減少,湍動能減小.植被上部流體上界面與環(huán)境水體發(fā)生挾帶和摻混,下界面向下坍塌并補充到植被內(nèi)部流體中去,將勢能轉(zhuǎn)化為動能,維持異重流繼續(xù)向前運動.對于 RSPF=18.0% (圖2(c)),異重流流入植被時出現(xiàn)2個頭部并且分層向前運動,兩者速度幾乎保持一致,由于高錳酸鉀與鹽水有很好的相容性,所以水體顏色可以清楚地反映異重流濃度的變化;通過觀察可以發(fā)現(xiàn)植被內(nèi)部異重流顏色較植被上部更淺,因此可以認(rèn)為異重流植被區(qū)域流體密度比植被上部密度低.異重流上部區(qū)域流體的上界面與環(huán)境水體間會產(chǎn)生K-H不穩(wěn)定[17],使上部流體因挾帶和摻混作用而被稀釋;下界面由于植被上部流體較植被內(nèi)部流體密度大而產(chǎn)生R-T不穩(wěn)定性,從而與下部流體發(fā)生交換[11],向下輸入動能維持下部區(qū)域異重流向前流動的能量.
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]異重流在層結(jié)與非層結(jié)水體中沿斜坡運動的實驗研究[J]. 賀治國,林挺,趙亮,林穎典,胡鵬,冉啟華,何昊哲. 中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2016(06)
本文編號：3347446
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