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，不與其他流體發生全局性摻混現象。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域流經沉水植物等。研究異重流與植被作用對解決海洋等領域問題具有重要意義。自然環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，發現垂向流速分布形態與植被密度相關[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，異重流流經植被較平滑床上運動頭部速度減小顯著，研究異重流流經沉浸式植被，在植被尾跡形成渦量。通過室內試驗研究異重流流經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、摻混速率等宏觀方面。研究異重流微觀結構對探明異重流運動機理具有重要意義。

1 試驗設置

研究利用實驗手段，對異重流流經植被頭部位置、形態特征等進行分析，綜合考慮異重流濃度的影響。實驗在浙大舟山校區泥沙環境力學恒溫實驗室內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。

環境水體注入閘門左側水槽，水槽兩側液面高度H=15 cm，水槽內水體靜止開啟閘門，環境水體在重流體上方相反運動。異重流運動由數碼相機拍攝，架設于水槽前100 cm處側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據通過粒子圖像測速系統拍攝，系統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。

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

2 實驗結果分析

2.1 形態分析

同時刻不同鹽度異重流運行形態如圖1 所示。

圖1 同時刻不同鹽度異重流運行形態

分析異重流與環境水體摻混界面隨時間變化關系。

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，界面處斜壓不穩定造成異重流與環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線性界面結論不同，原因是異重流流經圓柱體植被，摻混受抑制，流經實驗中植被時摻混受抑制，單株植被呈現外展形狀，導致異重流在局部區域流動多方向性。

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。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，異重流流經植被在植被內部運動，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化點，采用線性擬合頭部位位置曲線，異重流濃度變化對轉化點影響不顯著。無植被工況，轉化點x*=7.14±0.2，與前人研究結果相同。有植被工況轉化點減小，分析異重流流經植被能量耗散大，迫使其進入自相似階段。Hv=3 cm，轉化點x*=3.925±0.05，原因為異重流流經植被，抬升在植被頂部運動，頂部異重流與環境水體摻混，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短暫加速，植被阻擋效應，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顯著，植被長度足夠大，植被高度變化對阻擋效應影響不顯著。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內平均速度場，異重流與環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。植被阻擋效應較強，異重流流經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 結語

異重流運動中遇到植被對其運用產生影響，本文采用剛性圓柱體模擬植被噶變粗糙度，借助PIV 技術對開閘式異重流流經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的主要因素，植被長度成為阻擋效應主導因素，次要因素對阻擋效應影響不顯著。

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