水生植被影響異重流動力特性的試驗分析

江肖鵬，景 靜

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州730000）

異重流是因密度差異使得流體沿交界面流動，不與其他流體發(fā)生全局性摻混現(xiàn)象。在自然界非常普遍，如沼澤地溫差異重流在菹草運動，倒灌異重流回流至支流區(qū)域流經(jīng)沉水植物等。研究異重流與植被作用對解決海洋等領(lǐng)域問題具有重要意義。自然環(huán)境中植被分為沉浸式與非沉浸式，植被對水流運動的影響由植被決定。研究不同密度植被群作用下水流運動特性，發(fā)現(xiàn)垂向流速分布形態(tài)與植被密度相關(guān)[1]。通過測量3 種流量植被密度下水流垂向平均流速，得出曼寧粗糙度系數(shù)受植被密度影響顯著。前人研究水流與植被作用采用天然植被，在研究異重流與植被作用中采用剛性圓柱體代替。研究表明，異重流流經(jīng)植被較平滑床上運動頭部速度減小顯著，研究異重流流經(jīng)沉浸式植被，在植被尾跡形成渦量。通過室內(nèi)試驗研究異重流流經(jīng)沉浸式植被運動特性，得出頭部速度在坍塌階段隨植被密度先減小后增大。目前關(guān)于植被對異重流特性影響研究中植被簡化為圓柱體，研究異重流運動特性集中于運動形態(tài)、摻混速率等宏觀方面。研究異重流微觀結(jié)構(gòu)對探明異重流運動機理具有重要意義。

1 試驗設(shè)置

研究利用實驗手段，對異重流流經(jīng)植被頭部位置、形態(tài)特征等進行分析，綜合考慮異重流濃度的影響。實驗在浙大舟山校區(qū)泥沙環(huán)境力學恒溫實驗室內(nèi)平坡矩形水槽中進行，實驗水槽長200 cm，高20 cm，水槽邊壁由亞克力板制成。植被采用聚乙烯塑料草坪模擬自然植被，為避免植被排列方式影響，植被密度為4.5%，具體設(shè)計如下：①植被高度Hv=3 cm，長度Lv=30 cm，46 株；②Hv=6 cm，Lv=30 cm，50 株；③Hv=3 cm，Lv=80 cm，125 株；④Hv=6 cm，Lv=80 cm，127 株。

環(huán)境水體注入閘門左側(cè)水槽，水槽兩側(cè)液面高度H=15 cm，水槽內(nèi)水體靜止開啟閘門，環(huán)境水體在重流體上方相反運動。異重流運動由數(shù)碼相機拍攝，架設(shè)于水槽前100 cm處側(cè)向拍攝異重流運動過程，相機幀率25FPS，采用標定板進行水平標定。異重流流出植被中數(shù)據(jù)通過粒子圖像測速系統(tǒng)拍攝，系統(tǒng)包含垂直植被放置分辨率2 320×1 726pixel 的CCD 相機，擴散角為45°激光器。流體密度差異是產(chǎn)生異重流根本原因，定義為g′=△ρ1·g/ρ0，其中，ρ1為異重流密度；ρ0為環(huán)境水體密度；g 為重力加速度（9.81），m·s-2，△ρ=ρ1-ρ0。

異重流運動狀態(tài)雷諾數(shù)Re與重力弗勞德數(shù)其中H為水深，ur為平均速度。實驗中異重流采用食用鹽配置，實驗中雷諾數(shù)大于1 000，異重流為湍流流動。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 形態(tài)分析

同時刻不同鹽度異重流運行形態(tài)如圖1 所示。

圖1 同時刻不同鹽度異重流運行形態(tài)

分析異重流與環(huán)境水體摻混界面隨時間變化關(guān)系。

工況a：異重流運動中保持典型輪廓，頭部高度小于水深1/2，界面處斜壓不穩(wěn)定造成異重流與環(huán)境水體摻混界面曲折多變。異重流在閘門拉升后向下坍塌，異重流頭部到達植被后在植被間運動。隨著異重流向前運動，流過植被后保持典型輪廓。

工況b：異重流在閘門拉升后向下坍塌，頭部達到植被后在植被間運動，隨著異重流向前運動，流過植被后保持典型輪廓[2]。

工況c：植被高度近于異重流高度，大部分異重流阻擋在植被后方，重流高度為水深1/5，認為植被可抑制異重流摻混。

工況d：異重流在長植被群體頂部可運動較長距離，植被阻擋效應(yīng)作用導致異重流流出植被不保持典型輪廓。

工況e：異重流經(jīng)植被摻混界面趨于平滑，與研究觀察異重流在植被趨于呈現(xiàn)線性界面結(jié)論不同，原因是異重流流經(jīng)圓柱體植被，摻混受抑制，流經(jīng)實驗中植被時摻混受抑制，單株植被呈現(xiàn)外展形狀，導致異重流在局部區(qū)域流動多方向性。

2.2 頭部位置

分析異重流量綱一化頭部位置與時間變化關(guān)系，高錳酸鉀與鹽水具有相溶性，頭部位置采用商用MATLAB 軟件獲取，異重流濃度S=0.48%。頭部位置隨時間增大，工況1 與其他工況比較得出植被對異重流存在阻擋效應(yīng)。頭部位置隨時間遞增減緩，比較工況4 與工況7 得出植被長度較短，植被高度大[3]。異重流阻擋效應(yīng)顯著，Hv=3 cm，大部分異重流在頂部運動，對異重流影響類比為加大床底粗糙度；植被高度Hv=6 cm，異重流流經(jīng)植被在植被內(nèi)部運動，植被增大異重流能耗，部分異重流阻擋在植被后方。

T*=40，工況10 為工況4 的71.58%，植被長度達阻擋效應(yīng)顯著；工況10 與工況13，異重流運動時間相同頭部位置差異不顯著。植被較大成為阻擋異重流運動主導因素，工況b、c 異重流濃度分別為0.98%、1.55%。異重流濃度改變其初始重力時能，對其他水力特征影響不顯著。

分析異重流頭部位置隨時間變化關(guān)系，異重流運動階段分為坍塌與自相似階段；水槽長度限制未觀察到粘性階段，分析異重流從坍塌階段向自相似階段轉(zhuǎn)化點，采用線性擬合頭部位位置曲線，異重流濃度變化對轉(zhuǎn)化點影響不顯著。無植被工況，轉(zhuǎn)化點x*=7.14±0.2，與前人研究結(jié)果相同。有植被工況轉(zhuǎn)化點減小，分析異重流流經(jīng)植被能量耗散大，迫使其進入自相似階段。Hv=3 cm，轉(zhuǎn)化點x*=3.925±0.05，原因為異重流流經(jīng)植被，抬升在植被頂部運動，頂部異重流與環(huán)境水體摻混，共同作用導致異重流進入自相似階段。

2.3 頭部速度

分析異重流綱一化頭部速度隨綱一化時間變化關(guān)系，工況1 異重流先加速后減速，與研究開閘式異重流先加速后減速一致。工況4 異重流流入植被前呈現(xiàn)短暫加速，植被阻擋效應(yīng)，異重流流出植被向前運動。工況10 異重流流入植被前呈加速過程，在植被區(qū)域長距離運動。異重流流出植被后小速向前運動。X*=8 異重流頭部速度分析，工況4、10 分別為工況1 的58.46%、10.06%。植被長度達阻擋效應(yīng)顯著，植被長度足夠大，植被高度變化對阻擋效應(yīng)影響不顯著。異重流濃度變化對運動特性影響不顯著。

2.4 速度場與渦度場

分析不同濃度異重流流入植被前2 s 速度場，描述0.2 s內(nèi)平均速度場，異重流與環(huán)境水體摻混界面渦流值為正，與水平底床界面渦度值為負，渦度正負代表方向。異重流濃度達，運動速度大，正渦度值達，負渦度值大。B 系列異重流流出植被后剩小部分向前運動，異重流不再保持典型輪廓呈長條形，頭部高度為2 cm；異重流渦度分布為上部渦度為正，最大值為3 s-1，認為異重流摻混作用較弱。植被阻擋效應(yīng)較強，異重流流經(jīng)植被后大部分能量耗散，摻混作用較弱，頭部高度減小，在床底阻力作用下停止運動。

3 結(jié)語

異重流運動中遇到植被對其運用產(chǎn)生影響，本文采用剛性圓柱體模擬植被噶變粗糙度，借助PIV 技術(shù)對開閘式異重流流經(jīng)植被系列水槽實驗研究，分析障礙物附近異重流演變過程。異重流流經(jīng)濃度為4.5%，植被高度為3 cm，異重流抬升至植被頂部；植被高度為6 cm，摻混界面趨于平滑。異重流經(jīng)長植被群，大部分異重流阻擋于后方，少部分流出植被后向前運動；植被長度是影響異重流阻擋效應(yīng)的主要因素，植被長度成為阻擋效應(yīng)主導因素，次要因素對阻擋效應(yīng)影響不顯著。

異重流與環(huán)境水體摻混界面渦度值為正，頭部位置相同，正負渦度值大，植被阻擋效應(yīng)強，小部分向前運動，流量與異重流濃度呈正相關(guān)。異重流運動分為坍塌與自相似階段，阻擋效應(yīng)減小坍塌階段轉(zhuǎn)化位置，轉(zhuǎn)化點與植被阻擋效應(yīng)呈負相關(guān)。