水生植被影响异重流动力特性的试验分析

江肖鹏，景 静

（兰州交通大学，甘肃 兰州730000）

异重流是因密度差异使得流体沿交界面流动，不与其他流体发生全局性掺混现象。在自然界非常普遍，如沼泽地温差异重流在菹草运动，倒灌异重流回流至支流区域流经沉水植物等。研究异重流与植被作用对解决海洋等领域问题具有重要意义。自然环境中植被分为沉浸式与非沉浸式，植被对水流运动的影响由植被决定。研究不同密度植被群作用下水流运动特性，发现垂向流速分布形态与植被密度相关[1]。通过测量3 种流量植被密度下水流垂向平均流速，得出曼宁粗糙度系数受植被密度影响显著。前人研究水流与植被作用采用天然植被，在研究异重流与植被作用中采用刚性圆柱体代替。研究表明，异重流流经植被较平滑床上运动头部速度减小显著，研究异重流流经沉浸式植被，在植被尾迹形成涡量。通过室内试验研究异重流流经沉浸式植被运动特性，得出头部速度在坍塌阶段随植被密度先减小后增大。目前关于植被对异重流特性影响研究中植被简化为圆柱体，研究异重流运动特性集中于运动形态、掺混速率等宏观方面。研究异重流微观结构对探明异重流运动机理具有重要意义。

1 试验设置

研究利用实验手段，对异重流流经植被头部位置、形态特征等进行分析，综合考虑异重流浓度的影响。实验在浙大舟山校区泥沙环境力学恒温实验室内平坡矩形水槽中进行，实验水槽长200 cm，高20 cm，水槽边壁由亚克力板制成。植被采用聚乙烯塑料草坪模拟自然植被，为避免植被排列方式影响，植被密度为4.5%，具体设计如下：①植被高度Hv=3 cm，长度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。

环境水体注入闸门左侧水槽，水槽两侧液面高度H=15 cm，水槽内水体静止开启闸门，环境水体在重流体上方相反运动。异重流运动由数码相机拍摄，架设于水槽前100 cm处侧向拍摄异重流运动过程，相机帧率25FPS，采用标定板进行水平标定。异重流流出植被中数据通过粒子图像测速系统拍摄，系统包含垂直植被放置分辨率2 320×1 726pixel 的CCD 相机，扩散角为45°激光器。流体密度差异是产生异重流根本原因，定义为g´=△ρ1·g/ρ0，其中，ρ1为异重流密度；ρ0为环境水体密度；g 为重力加速度（9.81），m·s-2，△ρ=ρ1-ρ0。

异重流运动状态雷诺数Re与重力弗劳德数其中H为水深，ur为平均速度。实验中异重流采用食用盐配置，实验中雷诺数大于1 000，异重流为湍流流动。

2 实验结果分析

2.1 形态分析

同时刻不同盐度异重流运行形态如图1 所示。

图1 同时刻不同盐度异重流运行形态

分析异重流与环境水体掺混界面随时间变化关系。

工况a：异重流运动中保持典型轮廓，头部高度小于水深1/2，界面处斜压不稳定造成异重流与环境水体掺混界面曲折多变。异重流在闸门拉升后向下坍塌，异重流头部到达植被后在植被间运动。随着异重流向前运动，流过植被后保持典型轮廓。

工况b：异重流在闸门拉升后向下坍塌，头部达到植被后在植被间运动，随着异重流向前运动，流过植被后保持典型轮廓[2]。

工况c：植被高度近于异重流高度，大部分异重流阻挡在植被后方，重流高度为水深1/5，认为植被可抑制异重流掺混。

工况d：异重流在长植被群体顶部可运动较长距离，植被阻挡效应作用导致异重流流出植被不保持典型轮廓。

工况e：异重流经植被掺混界面趋于平滑，与研究观察异重流在植被趋于呈现线性界面结论不同，原因是异重流流经圆柱体植被，掺混受抑制，流经实验中植被时掺混受抑制，单株植被呈现外展形状，导致异重流在局部区域流动多方向性。

2.2 头部位置

分析异重流量纲一化头部位置与时间变化关系，高锰酸钾与盐水具有相溶性，头部位置采用商用MATLAB 软件获取，异重流浓度S=0.48%。头部位置随时间增大，工况1 与其他工况比较得出植被对异重流存在阻挡效应。头部位置随时间递增减缓，比较工况4 与工况7 得出植被长度较短，植被高度大[3]。异重流阻挡效应显著，Hv=3 cm，大部分异重流在顶部运动，对异重流影响类比为加大床底粗糙度；植被高度Hv=6 cm，异重流流经植被在植被内部运动，植被增大异重流能耗，部分异重流阻挡在植被后方。

T*=40，工况10 为工况4 的71.58%，植被长度达阻挡效应显著；工况10 与工况13，异重流运动时间相同头部位置差异不显著。植被较大成为阻挡异重流运动主导因素，工况b、c 异重流浓度分别为0.98%、1.55%。异重流浓度改变其初始重力时能，对其他水力特征影响不显著。

分析异重流头部位置随时间变化关系，异重流运动阶段分为坍塌与自相似阶段；水槽长度限制未观察到粘性阶段，分析异重流从坍塌阶段向自相似阶段转化点，采用线性拟合头部位位置曲线，异重流浓度变化对转化点影响不显著。无植被工况，转化点x*=7.14±0.2，与前人研究结果相同。有植被工况转化点减小，分析异重流流经植被能量耗散大，迫使其进入自相似阶段。Hv=3 cm，转化点x*=3.925±0.05，原因为异重流流经植被，抬升在植被顶部运动，顶部异重流与环境水体掺混，共同作用导致异重流进入自相似阶段。

2.3 头部速度

分析异重流纲一化头部速度随纲一化时间变化关系，工况1 异重流先加速后减速，与研究开闸式异重流先加速后减速一致。工况4 异重流流入植被前呈现短暂加速，植被阻挡效应，异重流流出植被向前运动。工况10 异重流流入植被前呈加速过程，在植被区域长距离运动。异重流流出植被后小速向前运动。X*=8 异重流头部速度分析，工况4、10 分别为工况1 的58.46%、10.06%。植被长度达阻挡效应显著，植被长度足够大，植被高度变化对阻挡效应影响不显著。异重流浓度变化对运动特性影响不显著。

2.4 速度场与涡度场

分析不同浓度异重流流入植被前2 s 速度场，描述0.2 s内平均速度场，异重流与环境水体掺混界面涡流值为正，与水平底床界面涡度值为负，涡度正负代表方向。异重流浓度达，运动速度大，正涡度值达，负涡度值大。B 系列异重流流出植被后剩小部分向前运动，异重流不再保持典型轮廓呈长条形，头部高度为2 cm；异重流涡度分布为上部涡度为正，最大值为3 s-1，认为异重流掺混作用较弱。植被阻挡效应较强，异重流流经植被后大部分能量耗散，掺混作用较弱，头部高度减小，在床底阻力作用下停止运动。

3 结语

异重流运动中遇到植被对其运用产生影响，本文采用刚性圆柱体模拟植被噶变粗糙度，借助PIV 技术对开闸式异重流流经植被系列水槽实验研究，分析障碍物附近异重流演变过程。异重流流经浓度为4.5%，植被高度为3 cm，异重流抬升至植被顶部；植被高度为6 cm，掺混界面趋于平滑。异重流经长植被群，大部分异重流阻挡于后方，少部分流出植被后向前运动；植被长度是影响异重流阻挡效应的主要因素，植被长度成为阻挡效应主导因素，次要因素对阻挡效应影响不显著。

异重流与环境水体掺混界面涡度值为正，头部位置相同，正负涡度值大，植被阻挡效应强，小部分向前运动，流量与异重流浓度呈正相关。异重流运动分为坍塌与自相似阶段，阻挡效应减小坍塌阶段转化位置，转化点与植被阻挡效应呈负相关。