在层结和非层结环境下植被群对异重流运动的影响
发布时间：2021-10-21 17:35
异重流在自然环境界及工程应用中广泛存在。本文于线性层结及非层结盐水中开展了一系列实验,对开闸式异重流通过植被群的发展和演变特性进行了研究。采用高速相机对异重流头部位置、头部速度和掺混系数等进行了分析,结果表明:异重流在层结水体中头部速度明显减小;层结水体和植被对异重流掺混均有抑制作用;当层结水体和植被同时存在时,异重流的掺混程度与植被高度和水深之比α相关,当α=0.43时,异重流的掺混最为剧烈。本研究也利用粒子图像测速仪（particle image velocimetry,PIV）对异重流局部区域的速度场和涡度场进行研究,结果显示,层结环境抑制异重流正负涡度场发展,但当α=0.20时,即一部分异重流爬上植被顶部时,层结水体与植被的协同效应对跃上植被顶端的异重流下界面涡度有强化作用。
【文章来源】：吉林大学学报(地球科学版). 2019,49(06)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１实验装置示意图Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔ－ｕｐ
且异重流行至植被后半段渐趋停滞，头部呈三角形形态，且其头部角度较非层结组显著减小。在该植被高度下，异重流尾部区域的“手指状”入侵趋势最为显著。这是因为此时异重流头部高度近似于植被高度，头部区域整体受到植被阻滞作用，部分重流体形成反射水跃回流并将尾部区域被稀释的较轻流体向上抬升，使其在不同高度与环境水体形成新的密度驱动，呈水平前侵趋势，并在前侵的过程中不受植被阻挡（如图２ｃ、ｄ中箭头所示）。２．２头部位置、速度图３为异重流分别在均匀水体环境（空心图例）和线性层结环境（半空图例）中头部位置随时间变化的过程，头部位置的起点为闸门左侧底部。根据图３所示，植被的阻力作用（对比图３中Ｆ０和Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）和层结环境（对比图３中Ｓ０和Ｆ０）均会弱化异重流运动；层结环境会增强植被高度对异重流运动的影响；在层结环境和植被的双重作用下，异重流在经过α≥０．４３的植被群（图３中Ｓ２，Ｓ３）时，受植被阻力作用，异重流动能大量损失，静止于植被群间；Ｓ２植被高度小于Ｓ３，异重流却早于Ｓ３静止，这是图３异重流头部位置随时间变化关系图Ｆｉｇ．３Ｃｈａｎｇｅｏｆｇｒａｖｉｔｙｃｕｒｒｅｎｔｈｅａｄｐｏｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｉｍｅ因为异重流遭植被阻挡时，部分异重流在其前积聚，与进入植被的重流体之间存在高度压力差，并以此为附加驱动力促使异重流前进。由于植被高度Ｓ２形成的高度压力差小于植被高度Ｓ３，因此所获动能较小，较早静止于植被群
环境下的异重流仍然能够通过植被继续前进，层结环境则不然；这是层结环境和植被对异重流的双重抑制作用使其动能损失大于均匀水体环境，最后静止于植被群中。图４异重流头部速度随头部位置变化关系图Ｆｉｇ．４Ｃｈａｎｇｅｏｆｆｒｏｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈｈｅａｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｇｒａｖｉｔｙｃｕｒｒｅｎｔ２．３掺混系数厘清异重流的掺混机制对进一步了解异重流的动态演化过程有重要作用［２３］。结合Ｗｉｌｓｏｎ等［２４］和Ｏｔｔｏｌｅｎｇｈｉ等［２５］的方法，用整体掺混系数（ｂｕｌｋｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）Ｅｉ＿ｂｕｌｋ来描述异重流与环境水体的对流扩散情况，并将其定义为Ｅｉ＿ｂｕｌｋ＝ｗｅｉｕｉ。（９）其中：ｗｅｉ＝ｕｉｘｆｉΔＡΔｘ，ΔＡΔｘ＝Ａｉ－Ａ０ｘｆｉ。式中：ｉ表示第ｉ张照片；ｗｅｉ为整体掺混速率；Ａｉ表示异重流的实时侧面面积，若异重流流入植被，则侧视图面积折减为Ａｉ＝Ａ１（１－φ）＋Ａ２，其中Ａ１为植被内部异重流侧面面积，Ａ２为植被外部异重流侧面面积；Ａ０表示异重流初始面积，取值１５０ｃｍ２；ｘｆｉ表示异重流的实时位置。掺混系数根据不确定度的间接计算方法得到，约为０．０００２０８，而计算掺混系数约为０．０３～０．０９，因此不确定度的影响可以忽略。图５为异重流侧面面积Ａ随头部位置变化的关系图。由图５可知，层结水体使得异重流侧面面积有所缩减。这是
【参考文献】：
期刊论文
[1]渤海湾盆地南堡凹陷西斜坡中深层“混合型河口坝”成因及沉积学意义[J]. 夏景生,王志坤,王海荣,薛林,王恺,刘成权. 吉林大学学报(地球科学版). 2017(06)
[2]分层水体和障碍物对斜坡异重流运动特性的影响[J]. 赵亮,吕亚飞,贺治国,林颖典,胡鹏,林挺. 浙江大学学报(工学版). 2017(12)
[3]异重流在层结与非层结水体中沿斜坡运动的实验研究[J]. 贺治国,林挺,赵亮,林颖典,胡鹏,冉启华,何昊哲. 中国科学:技术科学. 2016(06)
[4]分层流体中异重流的流态研究[J]. 贾复,吴乃华,张伯寅. 水动力学研究与进展. 1986(02)
[5]异重流运动的实验研究[J]. 范家骅. 水利学报. 1959(05)
硕士论文
[1]层结水体中异重流沿坡运动的试验研究[D]. 林挺.浙江大学 2016
本文编号：3449436
【文章来源】：吉林大学学报(地球科学版). 2019,49(06)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１实验装置示意图Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔ－ｕｐ
且异重流行至植被后半段渐趋停滞，头部呈三角形形态，且其头部角度较非层结组显著减小。在该植被高度下，异重流尾部区域的“手指状”入侵趋势最为显著。这是因为此时异重流头部高度近似于植被高度，头部区域整体受到植被阻滞作用，部分重流体形成反射水跃回流并将尾部区域被稀释的较轻流体向上抬升，使其在不同高度与环境水体形成新的密度驱动，呈水平前侵趋势，并在前侵的过程中不受植被阻挡（如图２ｃ、ｄ中箭头所示）。２．２头部位置、速度图３为异重流分别在均匀水体环境（空心图例）和线性层结环境（半空图例）中头部位置随时间变化的过程，头部位置的起点为闸门左侧底部。根据图３所示，植被的阻力作用（对比图３中Ｆ０和Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）和层结环境（对比图３中Ｓ０和Ｆ０）均会弱化异重流运动；层结环境会增强植被高度对异重流运动的影响；在层结环境和植被的双重作用下，异重流在经过α≥０．４３的植被群（图３中Ｓ２，Ｓ３）时，受植被阻力作用，异重流动能大量损失，静止于植被群间；Ｓ２植被高度小于Ｓ３，异重流却早于Ｓ３静止，这是图３异重流头部位置随时间变化关系图Ｆｉｇ．３Ｃｈａｎｇｅｏｆｇｒａｖｉｔｙｃｕｒｒｅｎｔｈｅａｄｐｏｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｉｍｅ因为异重流遭植被阻挡时，部分异重流在其前积聚，与进入植被的重流体之间存在高度压力差，并以此为附加驱动力促使异重流前进。由于植被高度Ｓ２形成的高度压力差小于植被高度Ｓ３，因此所获动能较小，较早静止于植被群
环境下的异重流仍然能够通过植被继续前进，层结环境则不然；这是层结环境和植被对异重流的双重抑制作用使其动能损失大于均匀水体环境，最后静止于植被群中。图４异重流头部速度随头部位置变化关系图Ｆｉｇ．４Ｃｈａｎｇｅｏｆｆｒｏｎｔｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈｈｅａｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｇｒａｖｉｔｙｃｕｒｒｅｎｔ２．３掺混系数厘清异重流的掺混机制对进一步了解异重流的动态演化过程有重要作用［２３］。结合Ｗｉｌｓｏｎ等［２４］和Ｏｔｔｏｌｅｎｇｈｉ等［２５］的方法，用整体掺混系数（ｂｕｌｋｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）Ｅｉ＿ｂｕｌｋ来描述异重流与环境水体的对流扩散情况，并将其定义为Ｅｉ＿ｂｕｌｋ＝ｗｅｉｕｉ。（９）其中：ｗｅｉ＝ｕｉｘｆｉΔＡΔｘ，ΔＡΔｘ＝Ａｉ－Ａ０ｘｆｉ。式中：ｉ表示第ｉ张照片；ｗｅｉ为整体掺混速率；Ａｉ表示异重流的实时侧面面积，若异重流流入植被，则侧视图面积折减为Ａｉ＝Ａ１（１－φ）＋Ａ２，其中Ａ１为植被内部异重流侧面面积，Ａ２为植被外部异重流侧面面积；Ａ０表示异重流初始面积，取值１５０ｃｍ２；ｘｆｉ表示异重流的实时位置。掺混系数根据不确定度的间接计算方法得到，约为０．０００２０８，而计算掺混系数约为０．０３～０．０９，因此不确定度的影响可以忽略。图５为异重流侧面面积Ａ随头部位置变化的关系图。由图５可知，层结水体使得异重流侧面面积有所缩减。这是
【参考文献】：
期刊论文
[1]渤海湾盆地南堡凹陷西斜坡中深层“混合型河口坝”成因及沉积学意义[J]. 夏景生,王志坤,王海荣,薛林,王恺,刘成权. 吉林大学学报(地球科学版). 2017(06)
[2]分层水体和障碍物对斜坡异重流运动特性的影响[J]. 赵亮,吕亚飞,贺治国,林颖典,胡鹏,林挺. 浙江大学学报(工学版). 2017(12)
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[4]分层流体中异重流的流态研究[J]. 贾复,吴乃华,张伯寅. 水动力学研究与进展. 1986(02)
[5]异重流运动的实验研究[J]. 范家骅. 水利学报. 1959(05)
硕士论文
[1]层结水体中异重流沿坡运动的试验研究[D]. 林挺.浙江大学 2016
本文编号：3449436
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