水生植被对异重流动力特性影响的实验研究

发布时间：2020-05-17 09:50

【摘要】：异重流,通常是指流体和环境水体之间由于密度差异而驱动的一种流动形式,广泛存在于自然界和工程实践中。异重流从产生到消失,运行距离较长,运动过程如果遇到水生植被,会对其发展产生重要影响。水生植被常见于湿地及河口环境中,植被存在会改变异重流的运动特性,进而影响湿地及河口生态系统的稳定性、物种的多样性及居民的生活环境,故研究此课题对保护湿地及河口生态环境、改善居民生活具有重要的价值。本文首先采用两台相机从侧视及顶视记录开闸式异重流三维运动形态,通过重复性实验分析异重流头部位置、速度、高度及角度的不确定度,其中不确定度采用变异系数衡量,并研究与异重流三维运动的关联性。由实验顶视图结果可知,异重流头部位置存在横向差异,因此异重流的运动的确存在三维现象。异重流横向扩散不均匀和水槽边壁摩擦阻力的差异是造成异重流存在三维运动现象的根本原因,而不确定度正是因为异重流三维运动的存在,这与实验观测到的异重流头部平面形态由波瓣(lobes)和沟裂(clefs)组成的现象一致。实验表明,在所研究时刻及盐度下头部位置、速度、高度和角度均服从正态分布。当异重流处于加速阶段,头部位置和速度的变异系数随时间迅速递减,而减速阶段则维持在定值附近,并且变异系数均小于6%;头部高度和角度的变异系数在运动过程中始终维持在定值附近。由本实验结果可得,异重流自身三维运动现象所导致的头部位置或速度的不确定度,约等于平均头部位置或速度的5-6%。而后通过高速摄像机拍摄异重流的运动过程,并结合粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)得到局部流场构,分析刚性植被、草本植被及底床粗糙度对异重流运动特性的影响。结果表明,不同浓度异重流运动过程仍然分为滑塌阶段和自相似阶段,并且植被和粗糙底床可以显著减小异重流滑塌阶段向自相似阶段转换点的大小,但对滑塌阶段的头部速度影响不显著。异重流在流经刚性植被时,存在半椭圆形轮廓和三角形轮廓两类;若流经浸没式植被时,如果植被密度较小,异重流头部速度受植被高度影响不显著;若植被密度较大时,头部速度受植被高度影响显著。当无量纲植被高度(植被高度与水深比值)为0.21而且植被密度为18.0%时,异重流会同时沿着植被上方及植被间运动,由于植被上方的异重流密度较植被内的密度大,因此会产生瑞利-泰勒不稳定性。此外,异重流在植被区域流动的掺混系数随头部位置增大而减小,掺混系数较无植被情况小。在流入浸没式植被后,异重流会以植被顶部为新的“底部边界”,形成负涡度带,但在异重流的上部仍与环境水体发生掺混形成正涡度带;同时也表明植被会减缓异重流运动速度,进而降低正涡度带的强度,并且植被密度与正涡度的抑制程度成正相关。异重流在流经草本植被(长度30 cm,高度3 cm)时,大部分异重流在植被顶部向前运动,流过植被后依然保持典型轮廓,呈现一个先加速、后匀速、然后迅速减速、最后缓慢线性减速的运动过程;流经草本植被(长度80 cm,高度6 cm)时,大部分异重流阻挡于植被后方,仅有少部分异重流流出植被后缓慢向前运动,呈现先加速、后匀速、然后迅速减速,最后缓慢运动的过程。异重流在流经单侧分布植被时,异重流横向掺混速率与头部位置和速度呈负相关,但递减速率逐渐减小。异重流流经浸没式单侧植被时环境水体迹线场散乱,而流经非浸没式单侧植被时迹线场比较规则,均一性强;且异重流断面能量随时间先增大后减小,能量峰值与植被高度呈负相关。异重流在粗糙底床运动时,弗劳德数在滑塌阶段变化不显著,而在自相似阶段呈现递减趋势;掺混系数随头部位置和理查森数增大均呈现递减趋势,而粗糙底床可以加强掺混,增大掺混系数,下界面由于底床无滑移条件和底床流场结构的多方向性形成正、负涡度带交错的现象,并且异重流剖面速度峰值会出现抬升现象。本文的研究结果可为有植被的河口及湿地区域下的生态环境保护及泥沙淤积等领域提供科学参考依据。
【图文】：

异重流,雪崩,沙尘暴,现象

图１．１异重流运动现象（ａ）沙尘暴，（ｂ）雪崩逡逑异重流造成密度差异的原因可以分为两类：组分驱动异重流和颗粒驱动流Ｗ。组分驱动异重流主要分为温度差异和盐度差异产生的异重流，比较常异重流有河口区域盐水楔、电厂温排水和植被和非植被区水体交换等。颗粒

湿地植被,红树林,芦苇,异重流

植被本身特性决定，如刚性植被和柔性植被、浸没式植被和非浸没式植被［９，１Ｃ］。逡逑众所周知湿地生态系统中存在河口海岸区域并且湿地植被呈现季节性淹没现象逡逑（图１．２）。湿地植被可以通过增加底床稳定性、降低流速、减少底床侵蚀、保持逡逑物种多样性等方式维持生态系统的稳定ｍ］；也可以通过耗散潮汐能、控制沉积物逡逑和污染物的交换以此保护海岸线［１２＿１４］。当风暴潮引发海水倒灌在湿地就会形成异逡逑重流，对湿地植被产生较大破坏，因此研究植被与异重流的相互作用对保护湿地逡逑生态系统、保证沿海生态系统的稳定至关重要。逡逑＇邋（ｂ）逡逑图１．２湿地植被（ａ）芦苇，（ｂ）红树林逡逑此外，本研究还可以为相关领域数值模拟提供有效的实验数据。在野外对逡逑异重流实地测量十分困难，成本高昂。因此，对异重流的研究多采用数值模拟和逡逑室内实验，而数模的有效性常需采用野外观测数据或实验数据进行验证。目前，，逡逑清水中异重流与植被相互作用的实验已有学者着手研究，但较少学者系统研究异逡逑重流浓度和植被的特征（密度、高度、分布方式）等因素对异重流运动的影响。逡逑因此本文的研究结果可为该领域数模提供系统性数据。逡逑综上所述，本文研究植被附近异重流的演变过程和动力学机制，将可为湖逡逑泊海洋中污染物的扩散、湿地生态系统的保护、河口盐水楔入侵、河口航道与海逡逑岸池淤积和延长提供科学依据。逡逑１．２国内外研究进展逡逑国外关于异重流的研究始于二十世纪三四十年代。我国最早出现异重流这一逡逑名词是在１９４７年《水利》第十五卷泥沙专号的一篇译文上［２］。经过八十余年的逡逑发展
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV145.2

【参考文献】