浸没及非浸没刚性短植被群对异重流运动特性的影响
发布时间：2021-08-17 08:38
利用一系列开闸式异重流水槽实验,研究不同刚性植被密度和高度的短植被群对异重流运动的影响.通过高速摄像机拍摄异重流的运动过程,利用粒子图像测速技术得到局部流场结构.结果表明:异重流在流经短植被群时,存在半椭圆形和三角形两类轮廓;运动过程分为坍塌阶段和自相似阶段,并且植被可以显著促进异重流从坍塌阶段向自相似阶段的转换,但对坍塌阶段的头部速度影响不显著.当无量纲植被高度（植被高度与水深比值）为0.21,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,植被上方的异重流密度较植被内大,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而递减,且较无植被情况小.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,但植被顶端的异重流仍与环境水体发生掺混形成正涡度带.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.
【文章来源】：上海交通大学学报. 2020,54(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
开闸式异重流实验水槽设置
其中:a、b为拟合参数,b代表x*和t*数据线性化后的拟合直线斜率,斜率越小代表头部速度越小.表2 实验工况及拟合参数Tab.2 Experimental cases and fitting parameters 工况 滑塌阶段 自相似阶段 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
异重流在闸门开启后会沿着水槽底部向前运动,在流经不同密度和高度的植被时,形态发生改变,如图2所示.异重流在沿着光滑底床流动时头部高度约为H/2[15];当hv=0.21时,异重流在流经植被时头部高度稍有抬升,头部高度大于H/2;当 hv=0.46时,异重流头部典型形态消失,演化为三角形轮廓,部分流体会在植被顶部向前流动(图2(f));当hv=1.00时,异重流在植被间运动,头部轮廓趋于平滑并且演化为三角形轮廓(图2(i)),与文献[8]观察结果一致.当hv=0.21时,异重流在流经不同密度植被时与流体在两层多孔介质中流动的形态极为相似[16].在RSPF=4.5% (图2(a))和9.0% (图2(b))时,异重流依然保持半椭圆头部形态,下层流体在植被间运动,上层大部分流体在植被顶部流动,类似于在粗糙度较大的底床上运动,植被间的流体由于植被的阻挡效应,流体速度减慢,与周围流体的掺混减少,即开尔文-亥姆霍兹(K-H)涡减少,湍动能减小.植被上部流体上界面与环境水体发生挟带和掺混,下界面向下坍塌并补充到植被内部流体中去,将势能转化为动能,维持异重流继续向前运动.对于 RSPF=18.0% (图2(c)),异重流流入植被时出现2个头部并且分层向前运动,两者速度几乎保持一致,由于高锰酸钾与盐水有很好的相容性,所以水体颜色可以清楚地反映异重流浓度的变化;通过观察可以发现植被内部异重流颜色较植被上部更浅,因此可以认为异重流植被区域流体密度比植被上部密度低.异重流上部区域流体的上界面与环境水体间会产生K-H不稳定[17],使上部流体因挟带和掺混作用而被稀释;下界面由于植被上部流体较植被内部流体密度大而产生R-T不稳定性,从而与下部流体发生交换[11],向下输入动能维持下部区域异重流向前流动的能量.
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
本文编号：3347446
【文章来源】：上海交通大学学报. 2020,54(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
开闸式异重流实验水槽设置
其中:a、b为拟合参数,b代表x*和t*数据线性化后的拟合直线斜率,斜率越小代表头部速度越小.表2 实验工况及拟合参数Tab.2 Experimental cases and fitting parameters 工况 滑塌阶段 自相似阶段 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
异重流在闸门开启后会沿着水槽底部向前运动,在流经不同密度和高度的植被时,形态发生改变,如图2所示.异重流在沿着光滑底床流动时头部高度约为H/2[15];当hv=0.21时,异重流在流经植被时头部高度稍有抬升,头部高度大于H/2;当 hv=0.46时,异重流头部典型形态消失,演化为三角形轮廓,部分流体会在植被顶部向前流动(图2(f));当hv=1.00时,异重流在植被间运动,头部轮廓趋于平滑并且演化为三角形轮廓(图2(i)),与文献[8]观察结果一致.当hv=0.21时,异重流在流经不同密度植被时与流体在两层多孔介质中流动的形态极为相似[16].在RSPF=4.5% (图2(a))和9.0% (图2(b))时,异重流依然保持半椭圆头部形态,下层流体在植被间运动,上层大部分流体在植被顶部流动,类似于在粗糙度较大的底床上运动,植被间的流体由于植被的阻挡效应,流体速度减慢,与周围流体的掺混减少,即开尔文-亥姆霍兹(K-H)涡减少,湍动能减小.植被上部流体上界面与环境水体发生挟带和掺混,下界面向下坍塌并补充到植被内部流体中去,将势能转化为动能,维持异重流继续向前运动.对于 RSPF=18.0% (图2(c)),异重流流入植被时出现2个头部并且分层向前运动,两者速度几乎保持一致,由于高锰酸钾与盐水有很好的相容性,所以水体颜色可以清楚地反映异重流浓度的变化;通过观察可以发现植被内部异重流颜色较植被上部更浅,因此可以认为异重流植被区域流体密度比植被上部密度低.异重流上部区域流体的上界面与环境水体间会产生K-H不稳定[17],使上部流体因挟带和掺混作用而被稀释;下界面由于植被上部流体较植被内部流体密度大而产生R-T不稳定性,从而与下部流体发生交换[11],向下输入动能维持下部区域异重流向前流动的能量.
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
本文编号：3347446
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